新兴技术:超薄蓝宝石制造低价防刮擦显示屏

玻璃触屏显示屏易破裂易刮擦,是如今无所不在的移动设备的弱点。蓝宝石——硬度仅次于钻石——能够让这种损伤成为过去。蓝宝石已经用于少数奢华智能 手机和 iPhone 近期版本的一些小零件,包括 iPhone 5S 的照相机镜头和指纹读取器。苹果新公布的手表的一些模型也包括蓝宝石表面。这一材料日渐重要的一个迹象是,最近苹果公司在美国亚利桑那州一家蓝宝石加工厂 投资了 7 亿美元。

问题在于,蓝宝石的价格是如今绝大多数智能手机所用的强化玻璃价格的 5 至 10 倍,这使其用途局限在小屏或专用设备上。但在丹佛斯、在马萨诸塞,GT Advanced Technologies 公司的工程师们表示,他们正在利用一种新的制造工艺解决成本问题,这种工艺能够低价高效地生产仅有一张纸四分之一厚度的蓝宝石薄层。将这些薄层进行层压而 制成传统玻璃显示屏时,可以有效防损,因为它只用了一层非常薄的蓝宝石来防止刮擦并在手机掉落时防裂。

上图:这一工艺是从一张 1 毫米多厚的蓝宝石厚片开始的。下图从左向右依次是:技术人员将蓝宝石圆晶片装进模板,然后再将模板装进高功率离子加速器。

模板受每秒速度将近 20000 千米的氢离子辐照,发出蓝光。

离子加速器(图片右侧)通过金属管将离子发射到左侧的靶子上。

加速器包括三排发电机(每排九个)和多个电源模块。

左图:对其中一个发电机进行测试。右图:一个电源将低压电转换成高压电。

像图中硅片处理系统这样的晶片处理系统将实现蓝宝石层压材料高产。

左图:在镀金炉的高热量中,被射入的离子形成氢气泡,氢气泡使蓝宝石晶片(位于黑色平台的右侧)脱落掉一层薄薄的蓝宝石(位于平台中间);右上:最终的薄层只有 26 微米厚; 右下:层压机将蓝宝石附在玻璃上。

现在一个蓝宝石圆盘成品(内圈)就覆盖在玻璃上。

公司的这一工序能够将原本用来制造一个坚固硬屏的材料量造出约 10 个蓝宝石薄层。这有利于使蓝宝石成为随处可见的智能手机材料。确实,这可能会让手机成本只增加几美元。另外还能使蓝宝石用于平板电脑等较大设备的显示屏。

GT Advanced Technologies 公司已经是重要的蓝宝石供应商,为苹果建立了亚利桑那工厂。丹佛斯工厂致力于研发新一代制造工艺。这一工艺的后盾是一台被称为离子加速器的机器,其大小相 当于一台水泥搅拌机。离子加速器生成两百万伏特的电流并将氢离子抛向蓝宝石晶体片,从而使离子以精确深度嵌入蓝宝石。然后在烤炉上加热材料,使其内形成氢 气泡,最终迫使蓝宝石层脱落。对该蓝宝石层进行抛光后,蓝宝石层就变得透明了。

尽管离子加速器已经用来改变半导体材料的属性,但 GT Advanced Technologies 仍然需要研制出强大 10 倍的机器,以便足够深入而精确地嵌入离子使其生产出可用的蓝宝石薄层。与制造蓝宝石薄层的传统方法相比,这是很大的进步。传统方法将大块的蓝宝石锯成小块 晶片再磨碎,浪费了大量昂贵的蓝宝石,同时导致了使薄层容易破裂的缺陷。

公司的设备工程副总裁特德•斯米克预计,在他开发出能使蓝宝石全程移动的自动化系统后,他的离子加速器会在明年进入市场。最终,这一技术将有利于使蓝宝石镀膜显示屏成为寻常之物,让每年卖出的上亿部智能手机更持久耐用。

 

                                                                                                                                                                                              来源:MIT Technology

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