手机面板用蓝宝石玻璃性质与制备

汤华娟、王承遇

前言

1、蓝宝石的结构与性质

2、大尺寸蓝宝石的制备方法

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2．1热交换法

热交换法是由美国Schmid1975年研发的，主要原理是利用热交换器带走熔体的热量，同时控制热交换器内氦气流量的大小并改变加热功率的高低来控制熔体的温度，使坩埚内熔体由下慢慢向上凝固成蓝宝石晶体。热交换法的设备如图7。

1—晶体炉；2—加热元件；3—热屏蔽部件；4—钼坩埚；5—熔体；6—籽晶；7—热交换器；8—可移动的绝缘部件；9—支撑块

图7 热交换法设备示意图

在坩埚2底部中心处加入籽晶8，再装入氧化铝原料，坩埚放在热交换器5的顶端，将晶体炉1密封并抽真空。用石墨加热器3加热到2050℃左右，使氧化铝熔融，同时在热交换器5中不断通入氦气，带走籽晶附近一部分热量，以免籽晶完全熔融。当籽晶回熔到足够数量时，就加大氦气流量，使其带走更多籽晶热量，从而使籽晶持续生长成晶体。

热交换器是热交换法设备的重要部件，通常由两个同心管组成。氦气由热交换器中心管流入，到达热交换器顶端，即坩埚底部与热交换器接触部分，吸收坩埚底部的热量，然后从热交换器外管向下到底端流出。

在蓝宝石晶体生长过程中，籽晶和坩埚均不移动，晶体生长的驱动力来自固液界面上温度梯度。在晶体生长过程中，熔体的温度通过调节炉温来控制，石墨加热器的热量通过熔体、晶体和热交换器，最后由氦气流带出。

在热交换法中，晶体和加热区均未移动，可以减少熔体涡流和热量对流以及固液界面浓度和温度波动，使晶体均匀性和完整性都比较好。在晶体生长过程中能独立控制晶体及熔体温度，降低晶体的热应力，减少晶体开裂与位错等缺陷，从而提高晶体强度，晶体生长速度也较快。另外可根据晶体所需形状，选择正方形、柱状、盘状坩埚，生长出与坩埚形状相似的晶体，这些均为热交换法的优点。但是此法消耗的氦气量大，如晶体生长速度过大，易形成过冷结构，导致晶体中出现气泡。如采用钼坩埚，其膨胀系数与蓝宝石晶体膨胀系数相差，坩埚边缘处易产生应力，导致生长的蓝宝石晶体外部易开裂。美国Crystal Systems有限公司一直采用热交换法生产蓝宝石晶体。

2．2泡生法

泡生法是由Kyropoulos1926年提出的晶体生长法，后经苏联Musalov改进用于制备蓝宝石晶体。2007年Demina采用计算机辅助设计改进泡生法设备及工艺，用于生产蓝宝石晶体，美国也已用此法制备出200kg的蓝宝石晶体。

泡生法是将籽晶用籽晶杆接触到熔融的高纯氧化铝熔体表面，当籽晶在熔体固液面上开始生长与籽晶结构相同的单晶时，籽晶杆以很慢速度向上提拉，提拉一段时间后形成晶颈，等熔体与籽晶界面凝固速度稳定后，籽晶不再提升，也不再旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上向下逐步凝固，最后凝固成一个单晶锭，然后再进行退火和冷却，其设备见图8。通常用钨坩埚，加热体由钨材料编成笼形状结构，加热时使温度达到上低下高。籽晶通过钼质夹持器与耐热不锈钢水冷却器相连接，形成热交換器，以控制籽晶及附近温度。

1—水冷籽晶杆；2—水冷电极；3—籽晶；4—坩埚盖；5—晶体；6—熔体；7—保温材料；8—发热棒；9—坩埚支撑架

图8 泡生法设备示意图

泡生法特点是利用温度控制晶体生长，虽然初期从引晶、缩颈到扩肩阶段存在提拉过程，但到了晶体等径生长阶段，就可以依靠不断降温的结晶动力使晶体生长，不再使用提拉技术。与传统的提拉法对比，泡生法在晶体生长过程中，晶体不需要提出坩埚外，精确控制冷却速度，减少热应力，避免坩埚污染，晶体生长速度也较快。但在晶体生长过程中存在晶体的移动和转动，可能对质量有影响。

2．3冷心放肩微量提拉法

冷心放肩微量提拉法是由韩杰才等2005年发明的大尺寸蓝宝石单晶生长方法，设备如图9所示。

1—水冷棒；2—加热装置；3—籽晶夹持杆；4—顶部散热器；5—坩埚；6—晶体；7—固液界面；8—熔体；9—支撑装置；10—隔温层

图9 冷心放肩微量提拉法设备示意图

冷心放肩微量提拉法生产蓝宝石晶体可分为引晶、放肩、等径、退火和冷却4个控制阶段。首先将氧化铝原料加入钨坩埚5内，晶体炉密闭，抽真空以保持压力不大于6×10－3Pa，利用钨发热体2加热到2050℃使氧化铝熔融，调节炉内加热体发热量在100～2500W/h，使液面对流形态稳定并缓慢调节籽晶夹持杆3，使其下端到熔体液面上5～20mm，熔体内冷心位置与坩埚几何中心相对偏差不大于20.00mm。用传统提拉法

工艺，沿冷心偏离方向，经5～15次引晶后，使结晶中心移到冷心，并进行旋转，转速为2～16r/min。然后冷心放肩控制提拉速度0.3～6mm/h，调节功率下降速度0.1～25.5W/h，使单晶体外侧靠近坩埚壁，但不接触；再以0.5～6.8mm/h速度进行等径提拉，等到单晶重量均匀增加后，将提升速度增加到20～170g/h，待晶体重量不再增加时，就完成了晶体生长过程，再进行退火和冷却。当炉内温度降到1700℃后，将炉内功率下降速度调至10～18W/h，使温度缓慢下降，对单晶作退火处理。当炉内温度降到500℃，将降温速度调为30～60W/h，直至温度降至100℃，完成冷却过程。

冷心放肩法特色在于冷心位置处与坩埚几何中心相对偏差不大于20mm放肩，使结晶过程中蓝宝石单晶的晶向遗传特性良好，保证高质量单晶生长。通过高精度能量控制配合微量提拉，在结晶过程中没有明显的温度扰动，降低了缺陷产生几率。晶体直径可以一直长到距坩埚壁1～3cm位置而不与坩埚壁接触，能制备出大尺寸晶体，材料综合利用率可达泡生法的1．2倍以上。在整个制备过程中晶体不被提拉出坩埚，晶体内温差小，可减少热应力，选用水作为冷却介质降低成本，晶体可实现原位退火。

3、展望

采用蓝宝石代替玻璃制作手机面板，增加了其耐磨性、光泽、热稳定性和化学稳定性，可适应于极端恶劣环境条件，提高手机面板使用寿命，但蓝宝石较玻璃制备工艺复杂，成本高。随着蓝宝石制备方法的改进，规模扩大，生产效率提高，价格有可能进一步下降。

美国专利及商标局（USPTO）曾报导了苹果公司将一层蓝宝石与另一层蓝宝石层压或一层蓝宝石与一层玻璃层压，制成叠层材料。由于蓝宝石很硬，研磨和抛光困难，采用叠层方案，只需将外层蓝宝石抛光，而内层蓝宝石可降低表面光洁度要求。通常每层蓝宝石厚0.5mm，叠层后厚1mm。国内袁军等也将一层蓝宝石与一层玻璃用光学透明胶粘合为叠层材料，用以制备电容式触摸屏，并申请了实用新型专利。此种叠层材料即充分发挥蓝宝石的优良性质，又减少蓝宝石用量，可以大幅度降低成本。