包括保护涂层的受保护物品的制作方法

包括保护涂层的受保护物品

发明领域

本公开一般涉及保护涂层。保护涂层可以施加到任何表面，包括滤光器。

发明背景

如今，便携式电子设备(例如智能电话、数码相机、可穿戴设备(如手表、健身跟踪器设备等))的大多数显示器不包括抗反射涂层。然而，由于这些产品的显示器产生的光学干扰，没有抗反射涂层的显示器会难以看到或阅读，尤其是在阳光充足的日子。抗反射涂层不如其上涂覆有抗反射涂层的衬底(例如，“大猩猩(gorilla)”玻璃或蓝宝石窗口)耐用。因此，具有用于可见光谱范围的抗反射涂层的显示器甚至会因小瑕疵而在装饰上退化。

发明概述

在一个方面，公开了一种受保护物品，该受保护物品包括需要保护的物品以及莫氏硬度至少约为8的保护涂层，其中，该受保护物品包括可见光波长的至少约60％的光透射以及可见光波长的约4％或更少的光反射。

在另一方面，公开了一种用于制造受保护物品的方法，该方法包括提供需要保护的物品；以及在需要保护的物品上沉积莫氏硬度至少约为8的保护涂层，以形成受保护物品，其中，该受保护物品包括可见光波长的至少约60％的光透射以及可见光波长的约4％或更少的光反射。

本发明各方面的附加特征和优点将在随后的描述中部分地阐明，并且部分地从说明书中将是明显的或可通过实践各方面而得知。各方面的目的和其它优点将通过在本文描述中特别指出的元件和组合的方式来实现和获得。

附图说明

从详细描述和附图能够更全面地理解本发明的几个方面，其中：

图1是根据本公开的示例的包括保护涂层和需要保护的物品的受保护物品的剖视图；

图2a是根据本公开的示例的需要保护的物品的剖视图；

图2b是示出需要保护的物品的衬底在各种入射角下的光反射的曲线图；

图2c是示出需要保护的物品在各种入射角下的光反射的曲线图；

图3a是根据本公开的另一示例的受保护物品的剖视图；

图3b是示出根据本公开的示例的图3a的受保护物品在各种入射角下的光反射的曲线图；

图3c是示出根据本公开的示例的图3a的受保护物品在各种入射角下的光透射的曲线图；

图4a是根据本公开的另一示例的受保护物品的剖视图；

图4b是示出根据本公开的示例的图4a的受保护物品的光反射和光透射的曲线图；

图5a是根据本公开的另一示例的受保护物品的剖视图；

图5b是示出根据本公开的示例的图5a的受保护物品的光反射和光透射的曲线图；

图6a是根据本公开的另一示例的受保护物品的剖视图；

图6b是示出根据本公开的示例的图6a的受保护物品的光反射和光透射的曲线图；

图6c是示出需要保护的物品的光反射和光透射的曲线图；

图7a是根据本公开的另一示例的受保护物品的剖视图；

图7b是示出根据本公开的示例的图7a的受保护物品的光透射的曲线图；

图8示出了根据本公开的示例的不同保护涂层的相对硬度；

图9是示出在保护涂层的沉积之后改变氢气流量对光透射的影响的曲线图；以及

图10是示出保护涂层的退火对光透射的影响的曲线图。

在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

发明详述

为了简单和说明的目的，通过主要参考本公开的示例来描述本公开。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，明显的是，本公开可以在不限制这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，没有详细描述本领域普通技术人员容易理解的一些方法和结构，以免不必要地模糊本公开。

出于本公开的目的，词语“带通滤波器特性”或“带通特性”可以被定义为可以通过特定范围内的波长或频率并且可以拒绝或衰减该特定范围外的波长或频率的滤光器。此外，“红外阻挡特性”可以被定义为能够反射或阻挡至少近红外波长的同时通过可见光的滤光器。“抗反射特性”可以被定义为能够至少减少反射和/或杂散光的滤光器。

此外，除非另有说明，本文中的数值和范围旨在具有与它们相关联的公差，并考虑设计和制造的方差。因此，数字旨在包括“大约”该数字的值。例如，值x也旨在被理解为“大约x”。同样，y-z的范围也旨在被理解为“大约y-大约z”的范围。除非另有说明，对于一个数字公开的有效位并不旨在使该数字成为精确的限制值。方差和公差在机械设计中是固有的，并且本文中公开的数字旨在被解释为允许这些因素(非限制性的，例如给定值的±10％)。在范围内公开的示例数字也旨在公开在更宽范围内的子范围，其具有示例数字作为端点。在更宽范围内的任何两个示例数字的公开在本文中也旨在公开这些示例数字之间的范围。同样，权利要求书将在其对数字和范围的叙述中被广义地解释。

本公开的方面涉及受保护物品10，包括需要保护的物品20；和保护涂层30，如图1所示。保护涂层30可以用于任何需要保护的物品20上，以减少或基本上阻止物品划伤或破碎的可能性。此外，保护涂层30不会改变需要保护的物品20的效果，即一个或多个光学特性，例如反射、透射等。需要保护的物品20的一些示例包括但不限于智能电话、平板电脑、触摸屏计算机、照相机镜头、眼镜、触摸屏或面板、以及指纹读取器。

如图2a所示，需要保护的物品20可以是例如其上布置有滤光器50的衬底40。衬底40可以包括但不限于玻璃(例如，大猩猩玻璃、硼硅酸盐玻璃)、硅、聚合物、或晶片，例如蓝宝石窗口、光电二极管、光电二极管阵列、互补金属氧化物半导体(cmos)传感器以及电荷耦合器件(ccd)传感器。

衬底40可以在各种入射角(aoi)下反射光。例如，如图2b所示，蓝宝石衬底40可以在各种入射角(0°、15°、30°以及45°的aoi)下反射约7.5％至约9％的光。如图2a所示，在衬底40上包括滤光器50可以改变衬底40反射光和/或透射光的能力。例如，在图2b的蓝宝石衬底40上的抗反射涂层作为滤光器50，会减少在各种入射角下的光反射。如图2c所示，滤光器50，例如以二氧化硅层结束的抗反射涂层，可以大大减少在各种入射角(0°、15°、30°、45°以及60°的aoi)下的可见光波长的光反射。特别地，需要保护的物品20可以具有可见光波长的约4％或更少的光反射。在一个方面，包括保护涂层30不会或以最低限度的方式改变滤光器50造成的效果，即滤光器50的抗反射涂层仍然会减少光的反射。

衬底40可以包括从约0.1mm或更小至约20mm或更大的厚度，例如，从0.1mm至10mm、从0.2mm至7.5mm、从0.3mm至7mm、从0.4mm至6.5mm、从0.5mm至6mm、从0.6mm至5mm、从0.7mm至4mm、从0.8mm至3mm、从0.9mm至2mm、以及从1mm至1.5mm。

如图2a所示，滤光器50可以包括至少一层(50-1)，包括多达n层(n是大于1的整数)(50-n)，例如两层、三层、四层等。在一个方面，滤光器50可以包括偶数个层或者可以包括奇数个层。滤光器50中存在的层数可以由各种因素来确定，例如包括在每个单个层中的化合物、和/或滤光器50呈现的光学特性、和/或滤光器50中每个层的厚度。滤光器50可以呈现任何光学特性，例如吸收性、干涉、单色性、二色性、紫外阻挡、红外阻挡、抗反射、带通、中性密度、长通、短通、导模谐振、金属网、偏振器、弧焊、低反射、光学变色、颜色偏移、光学干涉、透明导电、高反射等。可以用于滤光器50的至少一层的化合物包括但不限于si、二氧化硅(sio2)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(a12o3)、zro2、y2o3、五氧化二钽(ta2o5)、五氧化二铌(nb2o5)、nbta2o5、nbtiox(其中，x是范围从1到6的整数)、sic、以及二氧化钛(tio2)中的一种或更多种。另外，滤光器50的每层的厚度可以各自独立地为从1nm或更小至2000nm或更大，例如从3nm至300nm、从10nm至180nm、从20nm至160nm、从30nm至140nm、从40nm至120nm、从50nm至100nm、从60nm至90nm、以及从70nm至80nm。

在一个方面，滤光器50可以包括两种不同的化合物的交替层，例如sio2和nbta2o5的交替层，其中，交替层的数量是n(n是大于1的整数)，例如从大约2至大约66，例如从大约2至大约48，并且作为另一个示例从大约2至大约35。呈现抗反射特性的滤光器50可以包括例如sio2和nbta2o5的35个交替层(图3a)；si3n4和sio2的四(4)个交替层(图4a)；或者nbtiox和sio2的六(6)个交替层(图5a)。呈现红外阻挡特性的示例滤光器50可以包括例如nbta2o5和sio2的六十六(66)个交替层，如图6a所示。呈现带通滤波器特性的示例滤光器50可以包括例如ta2o5和sio2的48个交替层，如图7a所示。滤光器50可以呈现抗反射特性、红外阻挡特性以及带通滤波器特性中的至少一种。

如图1所示，保护涂层30可以施加到需要保护的物品20上，以形成受保护物品10。保护涂层30可以具有至少约为8的莫氏硬度，并且可以以范围从约1至约2000nm的厚度存在。保护涂层30的示例可以是碳化硅(sic)，因为它是非常耐用的材料。替代地，或者除了碳化硅之外，保护涂层30中可以包括另一种材料，包括但不限于碳化钛、硼、氮化硼、二硼化铼、斯石英、二硼化钛、金刚石、类金刚石碳(dlc)、以及黑金刚石。其它材料不会负面地影响保护涂层30的属性，并且也不会负面地影响与需要保护的物品20的滤光器50相关联的光学特性。

此外，保护涂层30可以具有至少约为8的莫氏硬度，例如从约9至约9.5。图8示出了不同材料例如蓝宝石、sic、二氧化硅、硅以及熔融石英的相对硬度，其中较低的压痕深度被理解为反映了较高的相对硬度，并且因此较高的抗划痕性。根据图8，在77μn的负荷下，sic具有约3.5nm的压痕深度，并且蓝宝石具有约2.5nm的压痕深度。二氧化硅、硅以及熔融石英都具有超过8nm的压痕深度。在91μn的负荷下，sic和蓝宝石具有约3.8nm的压痕深度。二氧化硅、硅以及熔融石英都有超过8nm的压痕深度。此外，在105μn的负荷下，sic具有约4.1nm的压痕深度，并且蓝宝石具有约4.7nm的压痕深度。二氧化硅、硅以及熔融石英都具有超过10nm的压痕深度。因此，在更高的负荷下，sic具有比蓝宝石、二氧化硅、硅以及熔凝石英更高的抗划痕性。蓝宝石具有约为9的莫氏硬度，熔融石英具有约5.3至约6.5的莫氏硬度，并且硅具有约为7的莫氏硬度。本领域的普通技术人员会知道莫氏级别不是线性的，而是指数的。

保护涂层30可以包括从约1nm至约2000nm的厚度，例如从约2nm至1000nm，例如从约3nm至约20nm、或从约5nm至约20nm。该厚度范围可以提供理想的光透射、光反射，并提供理想的硬度/抗划痕性。特别地，保护涂层30可以吸收可见光范围的波长，因此可以施加减小的厚度以避免太多的光损失。

在一个方面，受保护物品10可以具有部分或全部可见光波长中的至少约60％的光透射以及可见光波长中的约4％或更少的光反射。部分或全部可见光波长中的光透射可以是至少约65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％，甚至约100％。另外，可见光波长中的光反射可以约3.5％、3％、2.5％、2％、1.5％、以及以下，例如1.4％、1.3％、1.2％、1.1％、0.9％、0.8％、0.7％、0.6％、0.5％、0.4％、0.3％、0.2％或甚至约0.1％或更低。

制造受保护物品10的方法可以包括将保护涂层30沉积到需要保护的物品20上，并且特别是包括将包括sic的保护涂层30沉积到需要保护的物品20上的方法。保护涂层30的沉积可以在受保护物品10的性能中发挥作用。制造受保护物品10的方法可以包括提供需要保护的物品20，并在物品20上沉积保护涂层30。该方法还可以包括制造需要保护的物品20的方法，包括提供衬底40以及在衬底40上沉积滤光器50。滤光器50在衬底上的沉积可以包括已知的沉积技术，例如磁控溅射、直流溅射、脉冲溅射、交流溅射、射频溅射、离子束溅射、以及辅助离子束溅射；热蒸发、电子束蒸发、离子辅助蒸发、化学气相沉积、以及等离子体增强的化学气相沉积。保护涂层30可以使用类似的沉积技术(例如溅射沉积技术)沉积在滤光器50上，并且可以包括添加氢气。以这种方式，保护涂层30可以以减小的厚度施加。该方法还可以包括将保护涂层30退火到需要保护的物品20上，以形成受保护物品10。使用双阴极或单阴极溅射工艺，保护涂层30可以沉积在需要保护的物品20上，特别是物品20的滤光器50上。保护涂层30的光学特性可以取决于氢气含量，并且因此取决于沉积步骤期间的氢气流速。此外，保护涂层30的光学特性也会受到其他参数的影响，例如惰性气体的流速、pas(等离子体活化源)功率水平、阴极功率水平以及沉积速率。

工艺参数和值可以根据涂覆工艺、腔室尺寸以及许多其他因素而变化。通常，沉积过程的温度可以是从10℃或更低至150℃或更高，例如从15℃至100℃或从20℃至90℃。此外，压力可以是从1x10^-6毫托至1x10^-2毫托，例如从5x10^-4毫托至5x10^-3毫托。此外，氢气流量可以是从10sccm或更小至200sccm或更大，例如20sccm、40sccm、60sccm、80sccm、100sccm、120sccm、140sccm、160sccm、180sccm、以及200sccm。此外，惰性气体，例如氩气，流量可以是从50sccm至500sccm，例如150sccm或更高，例如200sccm、204sccm、295sccm、以及390sccm。

制造受保护物品10的方法还可以包括退火保护涂层30。在一个方面，如果使用单阴极溅射工艺，保护涂层30可以退火。在另一方面，如果使用双阴极溅射工艺，则保护涂层30不必退火。退火温度可以是高于90℃的任何温度。例如，退火可以在100℃、200℃、250℃、280℃、300℃、350℃、400℃、或更高的温度下进行。退火过程在任何地方会需要30分钟到24小时。例如，退火过程会需要40分钟至10小时、45分钟至5小时、50分钟至2小时，例如1小时。在一个实例中，退火过程在约280℃的温度下进行约1小时。在另一个例子中，退火过程在约400℃的温度下进行约1小时。

示例

为了确定在滤光器50上使用保护涂层30例如抗反射涂层、红外阻挡器以及带通滤波器的效果，制造以下受保护物品10。

图3a示出了包括具有滤光器50的蓝宝石衬底40的受保护物品10。滤光器50包括二氧化硅和nbta2o5的35个交替层。碳化硅保护涂层30以6nm的厚度沉积在滤光器50上。可见光波长的光反射为4％或更少(图3b)，并且可见光波长的光透射为至少约60％(图3c)。从图2c和3b的比较中可以看出，包括sic保护涂层30基本上不改变滤光器50的效果，滤光器50是抗反射涂层。

图4a示出了包括具有滤光器50的蓝宝石衬底40的受保护物品10。滤光器50包括si3n4和二氧化硅的4个交替层。碳化硅保护涂层30以6nm的厚度沉积在滤光器50上。可见光波长的光反射为4％或更少，并且可见光波长的光透射为至少约60％(图4b)。

图5a示出了包括具有滤光器50的蓝宝石衬底40的受保护物品10。滤光器50包括nbtiox和二氧化硅的6个交替层。碳化硅保护涂层30以6nm的厚度沉积在滤光器50上。可见光波长的光反射为4％或更少，并且可见光波长的光透射为至少约60％(图5b)。

图6a示出了包括具有滤光器50的borofloat衬底40的受保护物品10。滤光器50包括nbta2o5和二氧化硅的66个交替层。碳化硅保护涂层30以6nm的厚度沉积在滤光器50上。可见光波长的光反射为4％或更少，并且可见光波长的光透射为至少约60％(图6b)。在红外波长(700nm至1100nm)中，透射的光量极小。图6c示出了需要保护的物品20的光反射和光透射，即，它不包括保护涂层30。从图6b和6c的比较中可以看出，包括保护涂层30(图6b)没有或者以最低限度的方式改变滤光器50(例如红外阻挡器)产生的效果。红外阻挡器特性由受保护物品10呈现出来，同时还产生抗划痕性，例如保护涂层30的特性。

图7a示出了包括具有滤光器50的borofloat衬底40的受保护物品10。滤光器50包括ta2o5和二氧化硅的48个交替层。碳化硅保护涂层30以10nm的厚度沉积在滤光器50上。可见光波长的某些区域中的光透射为至少约60％(图7b)。

为了确定在保护涂层30沉积到需要保护的物品20期间添加氢气的影响，改变氢气流量以在熔融石英上提供2μm的sic保护涂层。在可见光和红外波长上，对于每个变化的流速，测量光透射。在图9中示出了数据。可以看出，沉积过程中氢气流速的增加导致更大百分比的光透射，从而改善保护涂层30的光学特性。

为了确定保护涂层30沉积到需要保护的物品20上后的退火效果，改变温度。在沉积过程中，氢气流量为120sccm，以在熔融石英上提供2μm的sic保护涂层。图10示出了不退火(u07342ad)、以280℃的退火温度进行退火1小时(u073422808)、以400℃的退火温度进行退火1小时(u073424008)的控制。在可见光和红外波长上，对于上述每种情况，测量光透射。在图10中示出了数据。可以看出，对保护涂层30进行退火导致更大百分比的光透射，从而改善保护涂层30的光学特性。

从前面的描述中，本领域技术人员可以理解本教导可以以各种形式实现。因此，尽管已经结合具体方面及其示例描述了这些教导，但是本教导的真实范围不应受到如此限制。可以进行各种变化和修改，而不脱离本文中教导的范围。

该范围公开将被广义地解释。本公开旨在公开实现本文公开的设备、活动和机械动作的等同物、装置、系统和方法。对于所公开的每个设备、物品、方法、装置、机械元件或机构，本公开旨在也包括在其公开内容中，并教导用于实践本文公开的许多方面、机构和设备的等同物、装置、系统和方法。此外，本公开涉及涂层及其许多方面、特征和元件。这种设备在其使用操作中可以是动态的，本公开旨在包括制造的物品和/或设备的使用方法、系统、装置和等同物、及其与本文公开的操作和功能的描述和精神一致的许多方面。本申请的权利要求同样将被广义地解释。

这里对本发明的许多方面的描述仅仅是示例，并且因此，不偏离本发明要领的变化都旨在本发明的范围内。这种变化不应被视为背离本发明的精神和范围。