(57)【要約】  【解決手段】  消費者の使用及び時計のガラス、携帯電話、タブレットコンピューター、パソコン、及びその類似物のような携帯機器の透光性及び耐破損性基板の１若しくはそれ以上の側面上に蒸着した薄い耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムからなる耐スクラッチ性及び耐破損性のマトリックスを生成するために、ガラスのような基板を酸化アルミニウムの層を覆うためのシステム及びプロセス。前記システム及びプロセスは、反応熱蒸発技術を含む。反応熱蒸発技術の利点は、任意に抗酸素圧を使用すること、基板の表面上で酸化アルミニウムのより高い成長率を可能にすることで、最終的により安価なプロセスを含むことである。この反応熱蒸発の他の利点は、伝統的な反応スパッタリング技術で一般に見られる電場を利用しないことにある。  【選択図】      図１
2016516133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐スクラッチ性及び耐破損性マトリックスを生成するシステムであって、前記システムは、
酸素の分圧を作り出すチャンバーと、
前記チャンバー内で透光性基板をサポートまたは固定するための装置と、
高エネルギー非結合アルミニウム原子を前記チャンバーの中に放出することで、前記酸素と反応して蒸着ビームを生成し、透光性基板の表面上で酸化アルミニウムフィルムを生成する装置と、
を有するシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
第１の位置で閉じられ、第２の位置で開けられるように構成されている構造を有し、前記構造は前記第１の位置で前記アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子から前記透光性基板を分け、前記第２の位置で前記透光性基板を前記アルミニウム原子及び酸化アルミニウム分子に曝露するように構成されている、システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
高エネルギー及び非結合アルミニウム原子を放出する前記装置がアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子のビームを生成する、システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、前記透光性基板を熱する熱源を有するシステム。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記透光性基板をサポートまたは固定する前記装置は、前記蒸着ビームに関連して前記透光性基板の位置付けをするために少なくとも一方向に動くように構成されている、システム。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、
前記透光性基板をサポートまたは固定する前記装置は、回転可能であり、Ｘ軸で移動可能であり、Ｙ軸で移動可能であり、またはＺ軸で移動可能であるように構成されている、システム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
分圧、透光性基板をサポートまたは固定する装置、及び高エネルギー及び非結合性アルミニウム原子をチャンバーの中に放出する装置のうち少なくとも一つをコントロールするように構成されているコンピューターを有する、システム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、前記透光性基板は、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、透光性プラスチック、またはイットリア安定化ジルコニアを有する、システム。
【請求項９】
酸化アルミニウム強化基板を生成するプロセスであって、
耐スクラッチ性及び耐破損性マトリックスを生成するために、透光性の耐破損性基板をアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子に曝露する工程であって、前記耐スクラッチ性及び耐破損性マトリックスは、前記透光性の耐破損性基板の１またはそれ以上の側面上で蒸着された薄い耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムを有する、前記曝露する工程と、
破損あるいは傷に抵抗するために硬化した透光性の耐破損性基板を製造する所定のパラメーターに基づいて、前記曝露を停止させる工程と、
を有するプロセス。
【請求項１０】
請求項９記載のプロセスにおいて、
前記曝露する工程は、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、透光性プラスチック、またはイットリア安定化ジルコニアの曝露を含む、プロセス。
【請求項１１】
請求項９記載のプロセスにおいて、さらに、
非結合性アルミニウム原子を生成するアルミニウム源を熱する工程を有する、プロセス。
【請求項１２】
請求項９記載のプロセスにおいて、前記停止させる工程が所定のパラメーターに基づいて前記曝露を停止する、プロセス。
【請求項１３】
請求項１２記載のプロセスにおいて、前記所定のパラメーターが、所定の時間周期、前記透光性基板上の酸化アルミニウムの層の所定の深さ、及び曝露中の酸素圧力のレベル、の少なくとも一つを含むものであるプロセス。
【請求項１４】
請求項９記載のプロセスにおいて、さらに、
高エネルギー非結合性アルミニウム原子を製造する工程と、
透光性の耐破損性基板の１またはそれ以上の側面上で蒸着された耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムを有する前記耐スクラッチ性及び耐破損性マトリックスを生成する酸素の与圧環境を作り出す工程と、
を有するプロセス。
【請求項１５】
請求項１４記載のプロセスにおいて、さらに、
前記アルミニウム源が熱せられる際に、前記アルミニウム源から前記透光性基板を保護する工程を有するプロセス。
【請求項１６】
請求項１５記載のプロセスにおいて、さらに、
前記アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子が前記透光性基板に達するのを可能にするために前記保護する工程を停止する工程を有するプロセス。
【請求項１７】
請求項１６記載のプロセスにおいて、
前記酸素の与圧環境を作り出す工程が、前記停止する工程の前または直前に実行されるプロセス。
【請求項１８】
請求項９記載のプロセスにおいて、さらに、
前記アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子の前記透光性基板に対する曝露量を調整するために、前記蒸着ビームに関連する前記透光性基板の方向または位置を調整する工程を有するプロセス。
【請求項１９】
請求項９記載のプロセスによって製造される前記硬化した透光性基板を利用する装置。
【請求項２０】
酸化アルミニウム強化基板を生成するプロセスであって、前記プロセスは、
第１部分及び第２部分で構成されるチャンバーの両部分で酸素の分圧を生成する工程と、
前記第１部分で高エネルギー非結合性アルミニウム原子を提供する工程と、
前記チャンバーの第２部分に位置付けされた標的透光性耐破損性基板の保護を提供し、前記アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子から前記標的透光性耐破損性基板を保護する工程と、
前記標的透光性基板を前記アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子に曝露することにより所定の固定分圧が達成される場合に前記保護を取り除く工程であって、透光性耐破損性基板の１またはそれ以上の側面上に蒸着された薄い耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムを有する耐スクラッチ性及び耐破損性マトリックスを生成し、前記薄い耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムが前記標的透光性耐破損性基板の厚さの１％以下である、前記取り除く工程と、
所定のパラメーターに基づいて前記曝露を停止し、破損または耐スクラッチ性の性質を改善するために、硬化した透光性耐破損性基板を提供する工程と、
を有するプロセス。
【請求項２１】
請求項２０記載のプロセスにおいて、
前記標的基板が、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、透光性プラスチック、またはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を有するプロセス。
【請求項２２】
請求項２０記載のプロセスにおいて、
高エネルギー非結合性アルミニウム原子を提供する工程が、アルミニウムを熱することによって提供される、プロセス。
【請求項２３】
請求項２０記載のプロセスにおいて、
前記所定のパラメーターが、所定の時間周期、前記透光性基板上の酸化アルミニウムの層の所定の深さ、及び曝露中の酸素圧力のレベルのうち少なくとも一つを含むものである、プロセス。
【請求項２４】
請求項２０記載のプロセスにおいて、さらに、
前記高エネルギー非結合性アルミニウム原子の源と前記標的透光性基板との距離を調整する工程、及び
前記標的透光性基板の方向を調整する工程、
の少なくとも一つを有する、プロセス。
【請求項２５】
請求項２０記載のプロセスによって製造される前記硬化した透光性耐破損性基板を利用する装置。
【請求項２６】
請求項２０記載のプロセスにおいて、
前記硬化された透光性耐破損性基板が約２ｍｍまたはそれ以下の厚さである、プロセス。
【請求項２７】
基板であって、
透光性耐破損性基板と、
前記透光性耐破損性基板上に蒸着された酸化アルミニウムフィルムと
を有し、前記透光性耐破損性基板及び前記蒸着された酸化アルミニウムフィルムが、破損または傷に耐性のある透光性耐破損性窓部材を提供するマトリックスを生成する、基板。
【請求項２８】
請求項２７記載の基板において、
前記透光性耐破損性基板が、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、二酸化ケイ素の鉱物、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）及び透光性プラスチックのうちの１つを有する基板。
【請求項２９】
請求項２７記載の基板において、
結果として生じた窓部材が約２ｍｍまたはそれ以下の厚さを有し、前記窓部材が、約３５０ギガパスカル（ＧＰａ）以下のサファイアのヤング係数値より小さいヤング係数値を有する耐破損性をもつ、基板。
【請求項３０】
請求項２７記載の基板において、
前記蒸着された酸化アルミニウムフィルムが、透光性または半透明性の耐破損性基板の約１％以下の厚さを有する、基板。
【請求項３１】
請求項２７記載の基板において、
前記蒸着した酸化アルミニウムフィルムが１０ｎｍ〜５ミクロンの間の厚さを有する基板。
【請求項３２】
請求項２７記載の基板において、
前記蒸着した酸化アルミニウムフィルムが約１０ミクロン以下の厚さを有する、基板。
【請求項３３】
請求項２７記載の基板を利用する装置。
【請求項３４】
窓部材であって、
透光性耐破損性メディアと、
前記透光性耐破損性メディア上で蒸着された酸化アルミニウムフィルムと、
を有し、前記透光性耐破損性メディア及び前記蒸着された酸化アルミニウムフィルムが、破損または傷に耐性のある透光性耐破損性窓部材を提供するマトリックスを生成し、
結果として生じた窓部材が約２ｍｍまたはそれ以下の厚さを有し、
前記透光性耐破損性窓部材が、約３５０ギガパスカル（ＧＰａ）以下のサファイアのヤング係数値より小さいヤング係数値を有する耐破損性をもつ、窓部材。
【請求項３５】
請求項３４記載の窓部材において、
前記透光性耐破損性メディアがホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、二酸化ケイ素の鉱物、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）及び透光性プラスチックのうちの一つを有する窓部材。
【請求項３６】
請求項３４記載の窓部材を利用する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１３年３月１５日付で出願された米国仮特許出願第６１／７９０，７８６号の優先権および利益を主張し、その開示は、この参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれたものとする。
【０００２】
本開示の分野
本開示は、特に、透光性で耐スクラッチ性の表面を提供するために酸化アルミニウムの層で材料（例えば、基板のようなもの）をコーティングするためのシステム、方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば電子機器系分野にはガラスを使用する多くの適用例がある。例えば、携帯電話やパソコンのようないくつかのモバイル機器は、タッチスクリーンとして構成されるガラススクリーンを使用する。それらのガラススクリーンは、破損したり傷がつく可能性がある。そのためいくつかのモバイル機器は、表面が傷ついたり、亀裂が入ったりする可能性を減らすためにイオン交換ガラスのような強化ガラスを使用している。
【０００４】
しかしながら、より固く耐スクラッチ性の表面を得られれば、現在利用可能な材料を上回る改良となる可能性がある。現在よく知られていて且つ利用可能であるものを上回るようなより固い表面は、より多くの傷や亀裂さえ入る可能性を減少させる。傷および亀裂の傾向を減らすことは、より長い製品寿命をもたらす。さらに様々なガラスベースの製品の耐用年数の減少を加速させるような事象が減少させることが、利用者によって頻繁に携帯操作され、思いがけず落としてしまいがちであるそれらの製品にとっては特に有利となる。
【０００５】
現在、ガラスまたは他の透光性基板上で酸化アルミニウムフィルムを利用している製品は知られていない。化学蒸着で酸化アルミニウムを成長させる方法が提案されてきたが、１００％のサファイアウィンドウのように高額な費用がかかってしまう。イオン交換ガラスは、表面の傷あるいはスクリーンに亀裂が入る可能性を減少させるために多くのモバイル機器に使用される強化ガラスである。しかしながら、この製品でさえ、破損したり傷がついたりする傾向がある。
【０００６】
一方、伝統的なスパッタリング技術は、酸化アルミニウムを成長させるという問題をしばしば提起し、例えばチャンバー内での酸素環境の利用は寄生的にアルミニウムを酸化させてしまう傾向がある。そのような問題を最小化するために、製造業者は低圧酸素を利用し得る。しかしながら、低圧の利用にあたって生じる問題は、成長率あるいは蒸着フィルムの質に悪影響を及ぼすということである。
【０００７】
従って、より良い性能、例えば、亀裂や傷に対してより優れた耐久性を与える改良された特性をより安い価格で提供するプロセス及び組成物は有益である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一つの限定されない例によると、改良された透光的な、耐スクラッチ性の表面を提供するために、特に、酸化アルミニウム層で材料（例えば基板のような）を覆うシステム、方法、および装置が提供される。
【０００９】
一側面において、耐スクラッチ性及び耐破損性マトリックスを生成するシステムが提供され、それは酸素の分圧を生成するチャンバー、そのチャンバー内で透光性基板をサポートまたは固定する装置、及び酸素に反応して蒸着ビームを生成する高エネルギー及び非結合性のアルミニウム原子をチャンバー内に放出し、透光的な基板の表面上に酸化アルミニウムフィルムを生成する装置を含む。
【００１０】
一側面において、酸化アルミニウム強化基板を生成するプロセスであり、そのプロセスは、透光性耐破損性の基板の１若しくはそれ以上の側面上で蒸着された薄い耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムから成る耐スクラッチ性及び耐破損性のマトリックスを生成するために透光性耐破損性の基板をアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子に曝露する工程と、破損や傷に耐える強化透光性耐破損性の基板を生成する所定のパラメーターの下で前記曝露を停止させる工程から成るプロセスである。
【００１１】
一側面において、酸化アルミニウム強化基板を生成するプロセスであり、前記プロセスは、第１部及び第２部で構成されているチャンバーの両部分で酸素の分圧を生成する工程、第１部でエネルギー及び非結合性のアルミニウム原子を提供する工程、標的の耐破損性透光性基板をアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子から保護するために前記チャンバーの第２部に位置する標的の透光性耐破損性基板に対する保護を提供する工程、所定の安定した分圧は標的透光性基板がアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子への曝露が達成されたときに前記保護を取り除く工程であり、透光性耐破損性の基板の１若しくはそれ以上の側面上で蒸着された薄く耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムから成る耐スクラッチ性及び耐破損性のマトリックスを生成し、さらにその薄い耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルムが標的の透光性耐破損性基板の厚さの１％以下であり、所定のパラメーターに基づいて前記曝露を停止させる工程、及び破損あるいは傷に耐える特性を改善するため強化透光性の耐破損性の基板を提供する工程、を有するプロセスである。
【００１２】
一側面において、基板は、透光性耐破損性基板上に蒸着された酸化アルミニウムフィルムから成り、前記透光性耐破損性基板及び蒸着された酸化アルミニウムフィルムは、破損または傷に耐性のある透光性耐破損性の窓部材を提供するマトリックスを生成する。透光性耐破損性基板は、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、二酸化ケイ素の鉱物、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）及び透光性プラスチックのうちの一つから成り得る。一つの側面において、結果として生じる窓部材は、約２ｍｍまたはそれ以下の厚さを有し、前記窓部材は、ヤング率がサファイアのヤング率以下の、約３５０ギガパスカル（ＧＰａ）以下の耐破損性を有する。一つの側面として、蒸着された酸化アルミニウムフィルムは、透光性あるいは半透明の耐破損性基板の厚さの約１％以下の厚さを有する。一つの側面において、蒸着された酸化アルミニウムフィルムは、約１０ｎｍ〜５ミクロンの間の厚さを有する。
【００１３】
一つの側面として、窓部材は、透光性耐破損性メディア及び透光性耐破損性メディア上に蒸着された酸化アルミニウムフィルムから成り、さらに前記透光性耐破損性メディア及び蒸着された酸化アルミニウムフィルムは、破損または傷に耐性のある透光性耐破損性の窓部材を提供するマトリックスを生成し、さらに結果として生じる窓部材は、約２ｎｍまたはそれ以下の厚さを有し、その透光性耐破損性の窓部材は、ヤング率がサファイアのヤング率以下の、約３５０ギガパスカル（ＧＰａ）以下の耐破損性を有する。
【００１４】
本開示のさらなる特徴、利点、および実施形態は、詳細な説明、図面、及び添付物の検討から記載されるかまたは明らかとすることができる。さらに、本開示の上記概要および以下の詳細な説明及び図面は事例であることが理解されることになっており、クレームに記載された本開示の範囲を限定することなく、さらなる説明を提供することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本開示のさらなる理解を提供するために含まれる添付図面は、本明細書の一部に組み込まれてそれを構成し、本開示の図示例は、詳細な説明とともに本開示の原理を説明するのに役立つ。本開示の基本的な理解および実施されることができる様々な方法に必要であり得るよりも詳細には、本開示の構造的詳細を示すように試みられていない。
【００１６】
【図１】図１は、本開示の原理にかかる反応熱蒸発を実施するシステムの一実施例のブロック図を示している。
【図２】図２は、本開示の原理にかかる反応熱蒸発を実施するシステムの一実施例のブロック図を示している。
【図３】図３は、本開示の原理にかけて実施されるプロセスである、酸化アルミニウム強化基板を生成する一実施例のプロセスのフローチャートを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示は、さらに、以下の詳細な説明に記載される。
【００１８】
本開示ならびにその様々な特徴および有利な詳細は、添付図面および以下の詳細な説明において記載されておよび／または図示された非限定的な実施例を参照してより十分に説明される。図面に図示された特徴は、必ずしも縮尺どおりに描かれておらず、１つの例の特徴は、本明細書において明確に述べられていない場合には、当業者は認識するように、他の例によって使用されることができるということに留意されたい。周知の構成要素および処理技術の説明は、本開示の例を不必要に不明瞭にしないように省略されることができる。本明細書において使用される例は、本開示が実施されることができる方法の理解を単に容易とし、さらに当業者が本開示の原理を実施するのを可能とするように意図される。したがって、本明細書における例は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、同様の参照番号は、図面のいくつかの図を通して同様の部分を表すということに留意されたい。
【００１９】
本開示において使用される用語「含む」、「有する」、およびその変形は、別段の指定がない限り、「含むが、これらに限定されない」ことを意味する。
【００２０】
本開示において使用される用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別段の指定がない限り、「１若しくはそれ以上」を意味する。
【００２１】
互いに連通している装置は、別段の指定がない限り、互いに連続的なやり取りの必要がないこととする。加えて、互いに連通している装置は、直接的にあるいは間接的に１若しくはそれ以上の媒介を通して通じ得るものである。
【００２２】
処理工程、方法工程、アルゴリズム等は、順番に説明されることができるが、そのような処理、方法、およびアルゴリズムは、他の順序で動作するように構成されることができる。換言すれば、記載されることができる工程の任意のシーケンスまたは順序は、工程がその順序で実行される必要性を必ずしも示すものではない。本明細書に記載される処理、方法、またはアルゴリズムの工程は、任意の実用的な順序で実行されてもよい。さらに、いくつかの工程が同時に実行されてもよい。いくつかのアプリケーションにおいて、すべての工程が要求されるわけではない。
【００２３】
単一の装置または物品が本明細書に記載されている場合、複数の装置または物品が単一の装置または物品の代わりに使用されてもよいことは容易に明らかである。同様に、複数の装置または物品が本明細書に記載される場合、単一の装置または物品が複数の装置または物品の代わりに使用されてもよいことは容易に明らかである。装置の機能または特徴は、そのような機能または特徴を有するようには明確に記載されていない１若しくはそれ以上の他の装置によって代わりに具体化されることができる。
【００２４】
本開示の原理にかかる反応熱蒸発は、下記の事例で説明されたように、反応性スパッタリングを含む従来知られている方法よりも利点と改良点を提供する。さらに、酸化アルミニウムフィルムの使用は、全体のサファイアウィンドウに反して、困難で費用がかかるとされるサファイアを切断し、磨き、滑らかにする必要性を取り除くことによって追加費用の節約をもたらす。
【００２５】
開示の一側面によると、ガラス、二酸化ケイ素の鉱物、あるいはその類似物のような透光性及び耐破損性基板１２０は、真空チャンバー１０２内で熱され得るステージ１１０上に設置される。プロセス中の気体は、コントロール分圧が達するような真空室１０２に流れ込むことが可能である。これらのガスは、原子あるいは分子の形で酸素を含み、アルゴンのような不活性ガスを含む。理想的な分圧に達すると、アルミニウム原子１１５の蒸着ビームは、基板１２０がアルミニウム原子１１５のビームに曝露されるように導入される。蒸着ビーム１１５は、雲がかったビームで有り得る。酸化アルミニウム層１２１コーティングを構成するマトリックス及び透光性の耐破損性基板１２０は、本開示の原理にかかる反応熱蒸発を通して作り出される。開示の原理に係る蒸着層の数ナノメートルから数百ミクロンの厚さは、プロセスパラメーター及び持続時間により達成され得る。プロセスの持続時間は、数分から数時間である。アルミニウム原子の流動及び酸素の分圧をコントロールすることによって、コーティングされたフィルムの性質は、フィルムの傷への抵抗を最大化するように調整される。
【００２６】
図１は、反応熱蒸発を実行するために構成されたシステム２００の例のブロック図であり、開示の原理により構成されたシステム２００である。開示の原理によると、前記システム２００は、材料（例えば、ガラス、二酸化ケイ素の鉱物、透光性プラスチック、またはその類似物である基板１２０）を酸化アルミニウム層１２１で覆うために使われる。前記システム２００は、ガラス上または他の基板上でとても硬く優れた耐スクラッチ性の表面を製造するために使われ得る。例えば、前記システム２００は、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、透光性プラスチック、または他の耐破損性透光性窓部材の材料を酸化アルミニウムに適応された耐スクラッチ性を合わせた耐破損性の大量の窓部材から構成されるマトリックスへ変換するために用いられ、硬く耐破損性で耐スクラッチ性の表面が効果的であるアプリケーションの使用に優れた製品となる。そのようなアプリケーションは、消費者機器、光学レンズ、腕時計ガラス、電気機器または科学機器及びその類似物を含み得る。
【００２７】
本開示の結果として生じたマトリックス表面１２１によって提供された利点は、優れた機械的パフォーマンス、例えば、伝統的な未処理ガラス、プラスチックなどのような現在使用されている材料と比較して改良された傷に対する抵抗性、破損に対するより優れた耐性を含む。加えて、全体のサファイアウィンドウ（例えば、全てのサファイアを構成している窓部材）よりもむしろ、ガラスのような基板上で覆われた酸化アルミニウムを使用することによって、広範囲の消費者使用に利用可能な製品を作っても、その費用は実質的に抑えることができる。
【００２８】
図1が示すように、システム２００は、酸素の分子あるいは原子を含み、その中で作られたプロセスガス１３５の分圧を有する排出チャンバー１０２を含む。前記システムは、ステージ１１０、プロセスガス注入口１２５、及びガス排出１３０を含む。前記ステージ１１０は、熱源１２３によって熱せられる（または冷やされる）ように構成される。前記ステージ１１０は、回転可能であり、Ｘ軸で移動可能であり、Ｙ軸及び／またはＺ軸で移動可能であるように構成されることを含み、３−Ｄスペースの１若しくはそれ以上の範囲で動かすように構成される。
【００２９】
基板１２０は、ステージ１１０上に位置付けられ得る。前記基板１２０は平面材料または非平面材料で有り得る。前記基板１２０は、処理を対象としている１若しくはそれ以上の表面を有する。前記基板は、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、透光性プラスチック、または他の耐破損性透光性の窓部材の材料であっても良い。いくつかのアプリケーションにおいて、前記基板１２０は多次元で具体化され、例えば、プロセスを作るマトリックスによって処理される３次元で配向される表面を含む。
【００３０】
反応熱蒸発プロセスを実行するための前記システム２００は、アルミニウム１０７が蒸発し始める点まで加熱される実質的に純アルミニウム１０７を含む坩堝１０６を含む。アルミニウム１０７は、アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子のコントロールされたビーム１１５を作り出すためのエネルギーアルミニウム原子を作るために使用され得る。蒸着１１５と関連して基板１２０の方向性または位置を適応させて、基板１２０に対してエネルギーアルミニウム原子及び酸化アルミニウム分子の曝露量を調整し得る。これはまた、酸化アルミニウムのコーティングを選択し、基板１２０の追加のセクションを可能にする。
【００３１】
前記システム２００は、開閉するための構成される開口部あるいはシャッター１４５が備わっている隔壁１４０を含む。前記隔壁１４０は、チャンバー内に第１部１３６及び第２部１３７の２つの部分を作っても良い。前記第１部１３６は、実質的に純アルミニウム１０７を含む。第２部１３７は、ステージ１１０及び基板１２０を含む。前記隔壁１４０は、二つの独立したセクション１３６、１３７を作り出すように構成され、第１部１３６の高エネルギーアルミニウム原子及び酸化アルミニウム分子が第２部１３７に早い段階でアクセスさせるのを妨げる。前記基板１２０は、前記隔壁１４０及び閉められた状態のシャッター１４５によるプロセスの第１段階中にアルミニウム１０７が熱される間、アルミニウム１０７から分別され得る。前記隔壁１４０及び閉じられた状態のシャッター１４５は、アルミニウム１０７ガス及び／または酸化アルミニウムが基板１２０に時期尚早に及んでしまうのを妨げる。一旦アルミニウム１０７にとって十分な温度（例えば、セ氏約１３５０度）に達すると、酸素は分圧１３５が達する場所であるガス注入口１２５（例えば、両部分１３６及び１３７）から排出チャンバーの中に流動することを可能にする。このガスは、原子あるいは分子どちらかの形で酸素を含んでも良いし、アルゴンのような不活性ガスもまた含んでも良い。
【００３２】
所定の安定酸素分圧１３５が達すると、前記シャッター１４５が開けられ、基板１２０をいくつかの酸化アルミニウム分子を含み得る高エネルギー及び非結合性アルミニウム原子１１５のビームに曝露する。第１部１３６のエネルギーアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子１１５を含むガスは、その後第２部１３７にアクセスし得る。前記シャッター１４５は、安定酸素分圧１３５が達するおよその時点で開かれるが、それは場合により異なる。典型的に酸素の加圧環境は、シャッター１４５が開かれる前または直前に作られる。酸素及びアルミニウムは、上述したように、表面１２２で酸化アルミニウムフィルム１２１を生成し成長させる前記基板１２０上あるいは近くで酸化アルミニウムを作成しながら、反応する。プロセスから出たガスは、ガス排出管１３０を通して排出される。
【００３３】
反応熱蒸発技術の利点は、始めに存在している酸素なしでアルミニウム１０７を熱することを含むので、実質的に純アルミニウム１０７は、時期尚早に酸化しない。そのように、反応熱蒸発技術を使って、例えばサファイアなどの強化ガラスあるいは他の強化基板の製品は、基板１２０の表面１２２で酸化アルミニウムのより高い成長率を可能にさせ、最終的にはより安価なプロセスとなるように、高酸素圧力を任意に使用し得る。この反応熱蒸発プロセスの他の利点は、伝統的な反応熱蒸発技術で典型的に見られる電場を利用する。伝統的な反応スパッタリング方法は、酸化アルミニウムの高い電気抵抗の結果として生じる帯電効果に対応するために高頻度の電場を使用する込み入ったチャンバーのデザインが要求される。本願開示の反応熱蒸発プロセスを利用することによって、帯電問題を取り除き、最終的にプロセスを簡素化させることで、電場は要求されない。
【００３４】
基板１２０は、アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子１１５のビームに曝露され、その曝露は、所定の時間帯周期及び／または達せられる基板上の酸化アルミニウム層の所定の深さ等のような所定のパラメーターに基づいて停止される。
【００３５】
排出チャンバー１０２内の酸素に曝露されて、アルミニウム原子１１５は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）分子を形成し、少なくとも一つの基板表面１２２に接触しており、そして覆われている耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルム１２１から成るマトリックスを形成して基板表面１２２に付着する。もし前記ビーム１１５が基板上表面を均一的に覆うのに十分に大きくはないとしたら、基板１２０それ自体は蒸着ビーム１１５内で移動することが可能であり、それは例えば上方、下方、左方向、右方向へ移動し、及び／または回転するようにコントロールされ得るステージ１１０の移動を通してである。いくつかの遂行において、アルミニウム１０７を有する坩堝１０６は、蒸着ビーム１１５の方向を変えるために移動し得る。
【００３６】
さらに、基板１２０の表面１２２上にアルミニウム及び酸化アルミニウム分子の移動を十分に可能とするために、マトリックス生成の質の改善を可能にし、基板１２０は、装置１２３によって熱せられ（または冷やされ）得る。化学的に及び／または機械的に基板の表面１２２で形成された蒸着フィルム１２１は、基板１２０と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の層間剥離を妨げるのに十分に強い結合を作り出す基板表面１２２に付着し、破損及び／または傷に高く耐性のある硬く強い表面１２０を作り出す。蒸着フィルム１２１は、基板１２０の表面１２２に等角である。これは、不規則で非平面上の表面を覆うのに有用である。これは、優れた接着剤、例えばラミネートタイプの技術を生じさせる傾向がある。
【００３７】
表面１２２での酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）蒸着フィルム１２１の成長率は、調節可能である。酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）フィルム層１２１の成長率は、アルミニウム１０７及び基板１２０の間の距離を縮めることによって強化される。例えば、これは、坩堝１０６を移動及び／またはステージ１１０を移動させることによって達せられる。その割合は、アルミニウム源１０７の温度の調整によって、それによりアルミニウム及び酸化アルミニウムガスの流れを変えることにより、またはチャンバー内１０２の中の酸素の流動を調整することによってさらに強化され得る。成長率を調整する他の技術は、チャンバー１０２内の周囲圧力を変えることを含み、それはまたは成長環境の変化の他の技術による。
【００３８】
基板１２０は蒸着ビーム１１５に曝露され、その曝露は、例えば、達成される基板上で酸化アルミニウムの層形成における所定の時間周期及び／または所定の深さのような所定のパラメーターに基づいて停止される。一つの側面において、所定の深さとは、基板の厚さの約１％以下の酸化アルミニウムフィルム層の厚さである。一つの側面として、蒸着された酸化アルミニウムフィルム層の厚さは、約１０ｎｍ〜約５ミクロンの間で有り得る。一つの側面として蒸着された酸化アルミニウムフィルム層１２１は約１０ミクロン以下であり得る。
【００３９】
透光性及び耐破損性基板上に成長した数ナノメートルから数百ミクロンの厚さの耐スクラッチ性の表面層から成るマトリックスは、プロセスのパラメーターおよび持続時間により達せされる。プロセス期間は、数分から数時間であり得る。アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子及び酸素分圧の流動をコントロールすることによって、基板１２２に形成されたマトリックスの性質は、傷に対する抵抗性を最大限にするために調整される。
【００４０】
図２は、反応熱蒸発を実行するために構成されたシステム２０１の事例のブロック図であり、そのシステム２０１は開示の原理により構成されている。前記システム２０１は、基板１２０の方向性及び実質的に純アルミニウム１０７が異なって方向づけられているということ以外には、図１のシステム２００に類似している。固定装置１２６は、基板１２０を固定するために使われ、前記基板は実質的に純アルミニウム１０７上にある。アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウムビーム１１５は、基板１２０に対して上方に発射される。一般的に、実質的に純アルミニウム１０７及び／またはビーム１１５に関連した基板１２０のいずれの適切な方向が使用される。前記固定装置１２６は、１若しくはそれ以上の軸で移動可能である。固定装置１２６はまた、基板１２０を熱したり（または冷やしたり）する装置１２３に設置されている。
【００４１】
いくつかの実施において、前記システム２００及び２０１は、システム２００及び２０１の様々な構成要素の操作をコントロールするためのコンピューター２０５を含む。例えば、コンピューター２０５は、アルミニウム１０７の過熱をコントロールし得る。コンピューター２０５はまた、基板１２０の加熱（あるいは冷却）をコントロールする装置１２３をコントロールし得る。コンピューターはまた、ステージ１１０、固定装置１２６の動きをコントロールし、排出チャンバー１０２の分圧をコントロールし得る。コンピューター２０５はまた、アルミニウム１０７および基板１２０の間のギャップ／距離の調整をコントロールする。コンピューター２０５は、おそらく、例えば時間のような所定のパラメーター、あるいは基板上に形成された酸化アルミニウムの深さに基づいて、あるいは使用される酸素圧の量／レベル、あるいはそれらの組み合わせに基づいて、基板１２０と共に蒸着ビームの曝露時間の量をコントロールする。ガス注入口１２５及びガス排出口１３０は、システム２００及び２０１を通ってガスの移動をコントロールするためのバルブ（図示せず）を含んでも良い。前記バルブは、コンピューター２０５によってコントロールされ得る。前記コンピューター２０５は、プロセス制御パラメーター及びプログラミングを保存するためのデータベースを含んでも良い。
【００４２】
図３は、酸化アルミニウムの強化基板を生成するための事例プロセスのフローチャートであり、それは、開示の原理にかかるプロセスである。図３のプロセスは、反応熱蒸発のタイプであり、システム２００、２０１と連結して使用され得る。３０５の工程で、例えばチャンバー１０２のようなチャンバーは、それらの中で分圧が作り出されることを可能にするように構成され、そして例えばガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、透光性プラスチック、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような標的基板１２０が覆われるのを可能にするように構成されるように作られても良い。さらに、前記チャンバー１０２は、アルミニウム１０７が熱せられている間、標的基板１２０をアルミニウム１０７から分離することを可能にするように構成され、そして、下記のようにプロセスの間分離を取り除くように構成されていても良い。工程３１０では、実質的に純アルミニウムのようなアルミニウム源は、高エネルギーおよび非結合のアルミニウム原子がチャンバー１０２で精製されことを可能にするように提供される。工程３１５で、固定装置（例えば固定装置１２６）またはステージ（例えば、ステージ１１０）は、チャンバー１０２内で構成される。ステージ１１０及び／または固定装置１２６の両方は回転可能であるように構成される。ステージ１１０及び／または固定装置１２６は、Ｘ軸、Ｙ軸及び／またはＺ軸に動くように構成されても良い。
【００４３】
工程３２０で防護壁は提供され、例えば基板１２０のような標的基板は、アルミニウム原子及び酸化アルミニウム分子がチャンバーの中で作り出された時点でビームから一時的に保護され得る。その保護は、例えば、第１の位置で開けられ、第２の位置で閉じるように構成されている開口部またはシャッター１４５に構成されている隔壁１４０であっても良い。閉じられた状態において、前記開口部あるいはシャッター１４５は、例えば第１部１３６のようなチャンバーの第１部を第２部１３７のような第２部から隔てる。第１部１３６はアルミニウム１０７を含んでも良い。第２部１３７はステージ１１０または固定装置１２６、及び標的基板１２０を含んでも良い。
【００４４】
工程３２５では、覆われている１若しくはそれ以上の表面を有する、例えばガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、イオン交換ガラス、透光性プラスチック、またはＹＳＺのような標的基板１２０は、ステージ１１０上で提供され、チャンバー１０２の第２部１３７で、固定装置１２６によって固定することによって固定されている。選択的な工程３３０で、標的基板１２０は熱せられる。工程３３５で、実質的に純アルミニウムは、チャンバー１０２の第１部１３６内でアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウムを製造するために熱せられ得る。アルミニウム原子は、隔壁１４０の方向に向けられた蒸着ビーム１１５を生成する。工程３４０で、酸素の分圧は、チャンバーの１３６及び１３７の両部分で生成され得る。これは、おそらく圧力の下で酸素がチャンバー１０２の中へ流れ込むのを可能にすることによって達成される。工程３４５で、保護は取り除かれる。これは、隔壁１４０でシャッター１４５を開けることによって遂行される。これは、ビーム１１５のアルミニウム原子及び／または酸化アルミニウムが標的基板１２０に届くのを可能にさせ、それはビーム１１５を形成する。蒸着フィルムは、標的基板１２０の表面で形成される。さらに、アルミニウム原子は、それらが基板１２０にも向けられている酸化アルミニウムを作り出しながら、基板１２０の方向へも動くに従って、酸素環境と作用する。
【００４５】
選択的な工程である３５０で、アルミニウム１０７及び基板１２０間のギャップまたは距離は、標的基板１２０上で酸化アルミニウムフィルムの蒸着率をコントロールするために、大体は縮小され、しばしば増幅させて調整される。選択的な工程３５５で、基板１２０は、ステージ１１０の方向を調整することによって、再度位置決めされ得る。前記ステージ１１０は、あらゆる軸に回転し、動かすことが可能である。工程３６０で、薄いフィルムは、アルミニウム原子及び／または酸化アルミニウム分子が１若しくはそれ以上の表面１２２を覆いそして結合するにつれて、基板１２０の１若しくはそれ以上の表面１２２で作り出さることが可能である。そのプロセスは、１若しくはそれ以上の所定のパラメーター、それが時間であったり、あるいは基板１２０上で形成される酸化アルミニウムの深さに基づいたり、または使用される酸素の圧力の量／レベル、あるいはその組み合わせのいずれかに基づいて達せされた時点で終了される。さらに、使用者は何時でもプロセスを停止できる。
【００４６】
図３のこの反応熱蒸発プロセスは、反応スパッタリング技術のような伝統的な技術で一般的に見られる電場および連続的な複雑性を使用したり、要したりしないという点で利点がある。
【００４７】
図３の工程は、夫々の工程を実施するためのソフトウェアプログラミングに構成され、例えばコンピューター２０５のようなコンピューターによって実施され、コントロールされ得る。図３はまた、それらの工程要素を遂行する構成要素のブロック図を表す。その構成要素は、物理的記憶（非変動媒体）からのソフトウェアを読み込むため、及び夫々の工程を実行するために構成されているソフトウェアを実行するためにコンピュータープロセッサー（例えばコンピューター２０５）によって遂行することが可能なソフトウェアを含む。そのコンピュータープロセッサーは、記載されている様々な工程の手動操作を可能にするためにユーザー入力を受け入れるために構成され得る。
【００４８】
図３のプロセス及び図１と２のシステムは、軽量で、破壊に優れた耐性を持ち、且つ約２ｎｍまたはそれ以下の厚さを有する耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルム１２１で覆われた薄く、透光性の、及び耐破損性の窓部材（例えば、基板１２０）から成るマトリックスを製造する。その薄い窓部材（例えば、蒸着耐スクラッチ性酸化アルミニウムフィルム及び透光性及び耐破損性基板のマトリックス混合）は、例えば約３５０ギガパスカル（Ｇｐａ）以下であるサファイアのヤング係数値以下の耐破損性を有するとして構成され、特徴付けられる。
【００４９】
さらに、試験方法あるいは非検材料の領域に基づいた異なるヤング係数値がある場合もあり、（例えば、表面およびバルクの異なった値を有する可能性があるイオン交換ガラスのように）最も低い値が適合できる値であることを理解されるべきである。図３のプロセスによって製造される薄い窓部材は、例えば携帯電話、タブレットコンピューター、及びラップトップで使用される例えば、時計のガラス、光学レンズ、及びタッチスクリーンを含む様々な機器で使用される薄い窓部材を製造するために使用され、耐スクラッチ性、または破損に耐性のある表面を維持することは最重要である。
【００５０】
本開示は、例示的な実施形態に関して説明されたが、当業者は、本開示が特許請求の範囲の精神および範囲内の変更によって実施可能であることを認識するであろう。これらの例は、単なる例示であり、本開示の全ての可能な設計、実施形態、用途、または変更の網羅的なリストであることを意味するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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