Apple、サファイア加工用のレーザー切断技術を公開

Sep 13, 2023

2月初旬、私たちはAppleの新しいサファイア製造装置がサファイア材料を加工するためのアリゾナ州の新工場に到着したことを知りました。 数日後、Apple のアリゾナ工場が現在の世界規模の 2 倍の生産能力で合成サファイアを製造できることを知りました。 そして今月の初めに、AppleのCEOティム・クックは、新しいサファイア工場はiPhoneのディスプレイカバーを製造するためではなく、むしろ極秘プロジェクトのために確保されていると述べた。 今日、米国特許庁が公開した 2 件の新しい特許出願を通じて、Apple のサファイア処理方法とシステムについて詳しく学びます。 この特許は、特殊なレーザー切断技術と特殊な炉を対象としています。 また、アリゾナ州の工場はサファイアの iPhone ディスプレイ カバーの製造には使用されないかもしれないが、カバーのグラフィックに記載されているように、この特許は iPhone に関連したプロセスを明確に示しているため、他の工場で使用される可能性がある。

Apple の特許の背景

コランダムは酸化アルミニウムの結晶形であり、さまざまな色で見つかります。一般にルビーとして知られる赤いコランダムとパパラチャとして知られるピンクがかったオレンジ色のコランダムを除き、それらはすべて一般にサファイアと呼ばれます。

透明な形のコランダムは宝石または宝石と見なされます。 一般に、コランダムは非常に硬く、純粋なコランダムはモース硬度が 9.0 であると定義されており、そのため、他のほぼすべての鉱物を傷つけることができます。 本目的では、「コランダム」および「サファイア」という用語は、酸化アルミニウムの結晶形を一般的に指すために互換的に使用される場合がある。

理解されるように、コランダムの硬度や透明性などの特定の特性により、コランダムはさまざまな用途に役立つ可能性があります。

しかし、特定の用途にとって有益である同じ特性は、通常、それらの用途向けのサファイアの加工と準備のコストと困難の両方を増加させます。 そのため、宝石であることに関連するコストを超えて、特定の用途のためにコランダムを準備するコストは法外に高額になることがよくあります。

たとえば、従来の加工技術を使用すると、サファイアの硬度により、材料の切断と研磨が困難になり、時間がかかります。 さらに、カッターなどの従来の加工ツールは、コランダムに使用すると比較的早く摩耗します。

Apple、レーザー切断技術とサファイア関連のその他のプロセスを発明

Apple は、研磨された硬質材料の切断に関連するシステムと方法、より具体的には、研磨されたコランダム (サファイア) の切断に関連するシステムと方法を発明しました。

サファイアの効率的な処理に関連する方法は、Apple の特許出願の中で議論されており、用途向けのコランダムの製造を迅速化し、難問の使用をコスト効率よく行うことが期待されています。

特に、一実施形態は、研磨された表面を有する硬質透明材料を切断する方法の形をとることができる。 この方法は、研磨された表面の一部を粗くするステップと、表面の粗くなった部分にレーザービームを当てて溶融させ、それによって硬質材料を切断するステップとを含む。

別の実施形態は、粗面化装置およびレーザーを含むコランダムを処理するためのシステムの形態をとってもよい。 粗面化装置は、最初にコランダム部材を受け取り、コランダム部材の研磨された表面を粗面化する。 次に、研磨された表面の粗くなった部分にレーザーを向けることによって、レーザーがコランダム部材を切断する。

さらに別の実施形態は、表面準備ステップおよび切断ステップを含む、研磨されたコランダムを切断するための方法の形態をとってもよい。 表面準備ステップでは、コランダムの表面の研磨部分が、レーザーエネルギーの内部結合によるその後の切断のために準備されます。 切断ステップでは、準備されたコランダムの研磨面の部分にレーザーが照射されます。

レーザー加工

Apple の特許図。 以下に述べる図３Ｃは、サファイアの表面を粗くするためにレーザー＃１２３が使用される実施形態を示す。 図１に示すように、 図３Ｃに示されるように、レーザは、サファイアの表面上に切断パターン＃１２４を作成するために、サファイア部材に対して移動することができる。 レーザーの移動および位置決めは、以下でさらに説明するようにディスプレイカバーである所望のサファイア部材のパターン（破線）を作成するために正確に制御され得る。

粗化技術では、研磨面 #120 が化学的にエッチングされます。 最初にマスクを設けて粗面化しない研磨面の部分を覆い、研磨面のマスクされていない部分は一般に所望のサファイア部材の形状をとる。 エッチング剤が表面に塗布され（または表面がエッチング剤にさらされて）、研磨された表面のマスクされていない部分が粗面化される。 マスクを除去する前または後に、エッチング剤を除去または中和するために洗浄ステップを実施してもよい。

切断工程

Apple の特許図に目を向けてみましょう。 次に図５を参照すると、切断ステップが示されている。 切断ステップでは、レーザー #130、マイクロ秒ファイバーレーザー 、粗面スポット #121 に焦点を合わせて、サファイア リボン #120 をレーザー カットします。 レーザは、図１のレーザ＃１２３とは異なるパルス長、周波数、パルスエネルギー、および様々な平均パワーレベルを実装することができる。 粗面化工程の３Ｃ。

さらに、レーザーは、表面上の粗いスポットまたは粗いスポットの下のある点に焦点を合わせることもできます。 すなわち、レーザは、粗面化された表面ではなく、サファイア部材の中央またはサファイア部材の裏面近くのある点に焦点を合わせてもよい。

場合によっては、レーザーがサファイアを内部結合して加熱するときに、レーザーがサファイアを溶解させる可能性があります。 レーザーが結合してサファイアを溶かし始めると、レーザーは粗くなったスポットの位置から離れてサファイアを溶かし続ける可能性があります。 2 番目のケースでは、レーザーはアブレーション プロセスを通じて材料の除去を引き起こす可能性があり、サファイアの層が複数の切断パスにわたってアブレーションされます。

Appleはさらに、空気、窒素ガス、その他の適切なガス#132などの加圧ガスを溶融サファイアに向けて除去し、サファイアリボンに切り込み#126を残すと指摘している。

Apple の特許図。 図８は、サファイア部材＃１３６を実装できる電子デバイスの一例であるiPhoneを示す。 これはたまたま、ベゼルのないエッジツーエッジのディスプレイデザインを備えた iPhone を示しているだけです。

Apple の特許では、FIG. 図９では、多くのサファイア部材が切り出されるサファイアウェーハ＃１６０の図を見ることができる。 一般に、サファイアウェハは、成長したサファイアブールからスライスすることができる。

サファイア部材＃１６４を切り出す前に、ウェーハの片面または両面を研磨してもよい。 特に、サファイアブールの上面＃１６２は研磨されてもよい。 したがって、サファイア部材のそれぞれは、ウェーハから切り出されたときに少なくとも１つの研磨された側面を有することができる。 ウエハからのサファイア部材の切断は、上で論じたように、粗面化ステップとそれに続くレーザ切断／溶融ステップを通じて実行することができる。

Apple のサファイア成長および処理システム

そして最後に、Apple の特許では、FIG. 上述した図１０では、例えばＥＦＧ炉などの任意の適切な形態をとることができるサファイア成長炉＃１７２を含む例示的なサファイア成長および処理システム＃１７０を見ることができる。

さらに、システムにはスライサーやポリッシャー #174 などの前処理装置が含まれる場合があります。 さらに、成長段階からのサファイア結晶内の欠陥を修復するのに役立つアニール炉を提供することもできます。

このシステムには、粗面化装置 #178 とレーザー カッター #180 を含む切断システム #176 が含まれています。 上で論じたように、レーザーカッターは、粗し機およびカッターとしての二重の目的を果たすことができるように、その出力レベルおよび／または焦点を調整できるように構成可能であり得る。

このシステムはさらに、研削および研磨などの１つまたは複数の後処理ステップのための装置を含んでもよい。 アニール炉はまた、サファイア部材を切断した後に設けられ、切断および／または他の処理ステップから生じた欠陥を修復することができる。

Appleは、このシステムは、電子機器で使用するサファイア部材を作成する際に実行される装置とプロセスに基づいて効率を達成すると考えられると述べています。 特に、サファイアのレーザー切断は、機械式カッターのように摩耗しないため、長期的にはコストを節約できると期待されています。 さらに、レーザーカッターの動作速度により、生産量が増加する可能性があります。 さらに、本明細書で説明されるプロセスおよびシステムは、十分に拡張可能であり、さらなる効率を達成するように構成可能である可能性がある。 特に、例えば、１つ以上の粗面化装置が単一のレーザーカッターに供給することができ、または単一の粗面化装置が複数のレーザーカッターに供給することができる。

特許クレジット

Apple は、2012 年第 3 四半期に最初に出願された特許出願 20140076299 の発明者として、Anthony Richter、Dale Memering、および Vincent Yan を認めています。

第二の発明: サファイア加工における熱交換器

本日、発明者のクリストファー・プレスト氏とデイル・メメリング氏を名乗った2番目のサファイア処理関連特許が特許出願番号20140080081として浮上した。

Apple の特許要約には、彼らの発明が「コランダムの製造中に効率的に加熱するためのシステムおよび方法」に関するものであると記載されています。一実施形態は、第 1 の炉と第 2 の炉を含むコランダムを処理するためのシステムの形をとります。第 1 と第 2 の炉は連続的に配置され、最初の炉からの熱は、その後 2 番目の炉の加熱に使用されます。」

Apple の特許図。 以下の図１は、サファイア成長のためのカイロプロスプロセスを示す。 イチジク。 サファイア成長のためのＶＨＧＦプロセスを示す。 および特許図。 図４Ｂは、単一の成長炉が２つのアニーリング炉に熱を供給する、炉の加熱段階後に２つの炉間で直接熱を通すことによってサファイア処理において熱を再利用するための代替システムを示す。

Apple の 2 番目のサファイア関連特許の詳細を確認するには、ここをクリックしてください。

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