用于向陶瓷材料施加压缩应力的膜
技术领域
所公开的实施例涉及陶瓷衬底上的膜，所述膜机械地强化所述陶瓷衬底，包含抗裂。
背景技术
陶瓷材料(如蓝宝石玻璃、硅基玻璃和相关材料)通常具有耐刮擦性，但是可能由于表面裂纹的传播而产生灾难性的破损。此类陶瓷材料广泛用于大量应用中，包含用于智能电话的屏幕的一种特定应用。众所周知，在陶瓷材料的表面上诱导压缩应力可以降低表面缺陷传播并引起陶瓷材料开裂的倾向。还众所周知，可以通过在材料的表面上形成膜来在其表面上引入应力。
在衬底上进行的膜沉积过程期间，可以观察到两种类型的应力：(1)由于微结构缺陷、杂质和缺陷演化而产生的固有生长应力；以及(2)由于最初沉积的膜的热膨胀系数(CTE)(αf)与衬底的CTE(αs)的差异而产生的热应力，其中CTE由希腊符号α表示(其通常被如此表示)。如果膜在高温下沉积，随后冷却到室温，并且所沉积膜材料的CTE小于衬底的CTE(即，CTE差值为负或(αf-αs)＜0)，则当冷却到室温时，膜将获得压缩应力。尽管这种方法在膜表面上赋予压缩应力，但是这种方法可能不适用于光学透视(see-through)应用，因为所沉积膜的折射率和衬底的折射率的差异可能引起对需要光学透明度的应用来说不利的光学干涉效应。
发明内容
本发明内容简要说明了本公开的性质和实质。应理解，本发明内容不应用于解释或限制权利要求的范围或含义。
所公开的实施例包含用于通过在陶瓷衬底上形成膜以在所述陶瓷衬底上产生压缩应力的方法，所述膜的折射率(nfilm)与所述陶瓷衬底的折射率(以下称为ns)紧密匹配。如本文所定义的，紧密匹配的折射率是指nfilm与ns的差值小于或等于0.10(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)。例如，如果ns为1.77，则nfilm介于1.67与1.87之间。此外，所公开的膜的维氏硬度(Vickers hardness)值通常介于300Kg/mm2与10,000Kg/mm2之间，努氏硬度(KnoopHardness)值介于500与10,000之间或莫氏硬度(Mohs hardness)值大于6.0。
在沉积温度(Td)下在陶瓷衬底上沉积膜以形成制品。所述膜的CTE与所述陶瓷衬底的CTE相差(前者比后者高或低)至少1.0×10-6/K(表示为|(αf-αs)|＞1.0×10-6/K)，并且|(nfilm)-(ns)|>0.10。膜转换步骤包括将温度从Td降低以达到比Td低至少100℃的经过改变的温度(Tc)，或者将温度从Td升高以达到比Td高至少100℃的Tc。膜转换条件使膜的厚度的至少一部分变成在包括组成、相和/或微结构的至少一个性质方面经过转换的膜，使得|(nfilm)-(ns)|≤0.10，并且在一些实施例中，|(nfilm)-(ns)|<0.05。然后将制品的温度从Tc降低到室温。
所沉积膜和经过转换的膜的组成可以包括具有式AlxY(1-x)OaCbNc的化合物，其中x的值范围介于0与1之间，并且“a”的值范围为0到2，“b”的值范围为0到1，同时“c”的值范围为0到2。Y是指可以包括Si、Ga、过渡金属(如Ti、Cu或V)或非过渡金属(如Zn)的元素。在陶瓷衬底为蓝宝石(Al2O3)的具体实施例中，所沉积膜为AlOaNb，并且“a”和“b”的值被调整成提供|(nfilm)-(ns)|>0.10并且使得经过转换的膜部分为AlOaNb，并且“a”和“b”的值被调整成使得在转换之后，|(nfilm)-(ns)|≤0.10，如|(nfilm)-(ns)|<0.05。如果衬底为单晶蓝宝石，则在一个实施例中，经过转换的膜部分为多晶氧化铝(“b”＝0.0，并且“a”＝1.5)。
对于蓝宝石衬底上的氧化铝，氧化铝膜(AlO1.5或Al2O3)可以处于alpha((α)相或δ相，其中多晶晶粒尺寸的范围为如10A到40微米。氧化铝膜的压缩应力的范围可以为0.01GPa到2GPa，而蓝宝石衬底的抗拉应力可以比膜的压缩应力低至少10倍。当通过如基于X射线衍射的方法等适合的材料表征技术测量时，经过转换的膜部分中的α氧化铝的晶格参数中的至少一个晶格参数总体上将比氧化铝的理想值(a＝4.785A，c＝12.991A)小至少0.01％。
另一个所公开的实施例是衬底为蓝宝石的情况，所沉积膜为SiOaNb，对“a”和“b”的值进行调整，其中|(nfilm)-(ns)|>0.10，使得经过转换的膜部分为SOaNb，并且在转换步骤期间对“a”和“b”的值进行如此调整，使得在转换之后，|(nfilm)-(ns)|<0.10，如|(nfilm)-(ns)|<0.05。在室温下，经过转换的膜中的压缩应力的范围可以为0.001GPa到10GPa，其中一个范围为0.01GPa到2Gpa，如0.1GPa到1GPa，其中所述转换包括在衬底保持处于转换温度Tc的加热室中进行处理。
在膜沉积期间，膜可以获得-1GPa到+1GPa的固有生长应力，其中负应力值是指压缩应力，而正应力值是指抗拉应力。这种固有生长应力通过由于膜转换和冷却到室温而产生的另外的热应力增强。膜的厚度可以为100A到100微米不等。可以通过使含碳气体、含氧气体或含氮气体中的一或多种气体流动来执行膜转换过程。
附图说明
图1是流程图，所述流程图示出了根据示例实施例的形成具有向陶瓷衬底提供压缩应力的膜的制品的示例方法中的步骤。
图2描绘了在陶瓷衬底上具有膜的所公开制品的横截面视图，其中所述膜向所述陶瓷衬底施加压缩应力。
图3示出了示例蜂窝电话的绘图，所述绘图示出了所述示例蜂窝电话的主要电子组件，所述示例蜂窝电话具有包含图2中示出的制品的显示屏。
具体实施方式
参考附图描述了本发明的实施例，其中贯穿附图使用类似的附图标记指代相似或相当的元件。附图未按比例绘制并且提供附图的目的仅仅是展示某些特征。下文参考示例应用描述了本公开的若干方面以进行说明。
应理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对本公开的主题的充分理解。然而，相关领域的普通技术人员将容易认识到，可以在没有所述具体细节中的一或多个具体细节的情况下或者用其它方法实践本发明的实施例。在其它情况下，为了避免模糊主题，未详细示出熟知的结构或操作。本发明的实施例不受所展示的动作或事件顺序的限制，因为一些动作可以以不同的顺序发生和/或与其它动作或事件同时发生。此外，实施根据本公开的方法并不需要所有所展示的动作或事件。
尽管阐述本公开的宽范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中阐述的数值以尽可能精确的方式报告。然而，任何数值固有地含有必然由在其相应的测试测量中发现的标准偏差引起的某些误差。此外，本文公开的所有范围应理解为涵盖其中包含的任何和所有子范围。例如，“小于10”的范围可以包含最小值0与最大值10之间的任何和所有子范围(并且包含所述最大值和最小值)，即，最小值等于或大于0且最大值等于或小于10的任何和所有子范围，例如1到5。
一个所公开实施例是一种用于在陶瓷衬底上提供压缩应力的基于膜的方法。如上文所述，如本文所用，“αf”为最初沉积膜的CTE，并且“αc”为陶瓷衬底的CTE。所述方法可以包括温度降低，所述温度降低包括在Td下沉积膜沉积，所述膜的αf低于或高于陶瓷衬底的αs，并且所述膜的组成为使得|(nfilm)-(ns)|>0.10，并且之后将温度从Td降低以达到较低的Tc或将温度升高到较高的Tc。将所沉积膜的厚度的至少一部分转换为使得所沉积膜具有紧密匹配的折射率，如上所述，所述紧密匹配的折射率是指|(nfilm)-(ns)|≤0.10，如0到|0.05|或0到|0.05|。所沉积膜的CTE与衬底的CTE之间的差值|(αf-αs)|的范围可以为1.0×10-6/K到2×10-5/K，其中另一个范围为2.5×10-6/K到2×10-5K，并且又另一个范围为5.0×10-6/K到2×10-5/K。
膜转换条件产生完全转换的膜或原始沉积厚度的5％到100％(如原始沉积膜厚度的10％到90％)的范围经过转换的膜。如上所述，经过转换的膜部分提供包括膜组成、相和/或微结构的至少一个变化性质，使得在Tc下，经过转换的膜的折射率与陶瓷衬底的折射率的差值≤|0.10|。
经过转换的膜部分的组成变化包括以下中的至少一项：氧含量增加至少(≥)10摩尔％、氮含量降低至少(≥)10摩尔％或碳含量降低至少(≥)10摩尔％。组成变化的实例为：所沉积AlN膜的厚度完全转换或部分转换(其厚度的5％到95％)，如10％到80％转换为Al2O3，SiCON膜转换为SiO2，以及AlOaNb膜转换为Al2O3或AlON。关于相变，例如，所沉积膜可以呈非晶态，并且在转换之后，经过转换的膜可以变为多晶态，或者通过变换为α相而变换为不同的相，如氧化铝的γ或δ相。微结构变化可以包括平均晶粒尺寸增加至少(≥)20％。例如，经过转换的膜部分的平均晶粒尺寸的范围可以为10A到40微米，并且可以比所沉积膜的平均晶粒尺寸大至少10％，如20％到20,000％。
然后，将温度从Tc降低到室温。所公开的方法的一个优点在于，经过转换的膜部分获得的折射率与陶瓷衬底的折射率紧密匹配，这反映在|(nf)-(ns)|≤0.10中。另一个优点在于，当在温度不同于Td的Tc下进行膜转换时，会实现显著的压缩热应力。
图1是流程图，所述流程图示出了形成包括陶瓷衬底上的膜的制品的示例方法100中的步骤，其中所述膜向陶瓷衬底提供压缩应力。图2描绘了在陶瓷衬底210上具有膜220的所公开制品200的横截面视图，其中膜220向陶瓷衬底210施加通过所提供的箭头示出的压缩应力。
陶瓷衬底210可以是光学透明的或者可以是不透明的。光学透明的衬底在本文中被定义为允许处于390到700纳米的波长范围内的可见辐射的强度的至少40％穿过厚度为500微米或以上的衬底的材料。透明陶瓷衬底的实例包含玻璃，如硅基玻璃、蓝宝石、氧化铝、尖晶石(立方晶系中的MgAl2O4)、钽酸盐、钙钛矿、AlON氟化物、氧化物、碳化物、氮化物和金刚石。所沉积膜的实例包含在范围为-200℃到2,500℃(典型地，1,000℃到1,500℃)的Td下沉积的AlN、AlON、AlSiON、SiON、SiC、SiN或SiAlOCN。陶瓷衬底210的厚度可以为100微米到300mm不等。此类材料的折射率可以为1.3到2.9不等。如上所述，陶瓷衬底210的莫氏硬度范围可以为6到10，维氏硬度范围可以为从500kg/mm2到10,000Kg/mm2或努氏硬度范围可以为500到10,000。
步骤101包括在Td下在陶瓷衬底210上沉积膜以形成制品，其中膜220的CTE低于或高于陶瓷衬底的CTE。膜可以包含至少10％的铝。在Td下，所沉积膜的CTE相对于陶瓷衬底的CTE的差值|(αf-αs)|为至少1.0×10-6/K到约2×10-5/K，并且折射率差值|(nf)-(ns)|>|0.10|。可以将膜沉积在衬底的至少一个表面上或衬底的所有表面上，如顶侧和底侧上。如上所述，膜的厚度可以为100A到100微米不等，如从1,000A到100微米或5,000A(0.5微米)到100微米。
可以通过如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等各种技术沉积膜220。在这些技术中，沉积室中的真空水平可以为1.0×10-10托到100托不等。PVD方法的实例包含蒸发、溅射、分子束外延(MBE)和阴极电弧。还可以使用电离束沉积。CVD的实例包含低压CVD(LPCVD)、高压CVD，包含等离子体增强CVD(PECVD)、金属有机气相外延(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)和原子层沉积(ALD)。所沉积膜的晶粒尺寸可以为非晶态(无晶粒)到多晶态，其中晶粒尺寸为1nm到10微米不等。陶瓷衬底210的表面的均方根(RMS)粗糙度范围通常为1A到10微米(如1A到1,000A)。如上所述，所沉积膜中的压缩应力或抗拉应力可以为000.1Gpa到10GPa不等。总体上，膜的莫氏硬度应大于6.0，维氏硬度应大于500Kg/mm2或努氏硬度应大于500。
步骤102包括膜转换，所述膜转换包括将温度从Td降低或升高到与Td相差至少为100℃的Tc，其中膜转换的条件使膜220的厚度的至少一部分变成经过转换的膜，所述经过转换的膜的包括组成、相和微结构的至少一个性质发生变化，使得(|(nfilm)-(ns)|<0.10)。如上所述，组成变化为使得存在以下中的至少一项：氧含量增加至少(≥)10摩尔％、氮含量降低至少(≥)10摩尔％、碳含量降低至少(≥)10摩尔％以及平均晶粒尺寸增加至少(≥)20％的微结构变化。可以使用如快速热处理(RTP)或脉冲或连续波激光热处理等瞬态热技术进行转换过程。在RTP/激光热处理的情况下，膜/衬底可以在1皮秒到10分钟的时间内加热到300℃到2,000℃的温度。
步骤103包括使制品的温度从Tc降低到室温。可以通过将制品从熔炉/反应器中移出或者通过以范围为0.1K/min到100K/min的速率进行冷却来控制冷却过程。当通过光学轮廓仪测量至少100微米×100微米的扫描区域时，在冷却到室温后，经过转换的膜的表面可以获得大于1A(如5A、15A或20A(2nm)到1,000A)的粗糙度值。此类粗糙表面可能导致光学散射或强度降低。之后，可以对经过冷却的表面进行抛光以实现当通过光学轮廓仪测量至少100微米×100微米的扫描区域时小于2nm(如小于1nm、如小于0.5nm)的平均表面粗糙度。
Td可以为300℃到3,000℃不等，典型的范围为800℃到2,200℃，如900℃到1800℃，而Tc可以为100℃到2,500℃，典型的范围为500℃到1500℃。膜可以对蓝宝石或氧化铝衬底赋予双轴压缩应力。蓝宝石或氧化铝衬底可以呈多晶态、非晶态或单晶态。对于单晶蓝宝石，可以以与C平面、R平面或M平面成+/-20°的方式切割所述表面。
所沉积膜和经过转换的膜部分的组成可以为AlxY(1-x)OaCbNc，其中x的值范围介于0与1之间，并且“a”的值范围为0到2，“b”的值范围为0到1，同时“c”的值范围为0到2。Y是指掺杂元素，所述掺杂元素可以为Si、Ga、过渡金属(如Ti、Cu、V)或非过渡金属。在衬底为蓝宝石(Al2O3)的实施例中，所沉积膜为AlOaNb，对“a”和“b”的值进行调整，|(nfilm)-(ns)|>0.10，使得经过转换的膜部分为AlOaNb，并且在转换期间对“a”和“b”的值进行如此调整，使得转换之后，|(nfilm)-(ns)|≤0.10，如|(nfilm)-(ns)|<0.05。如果衬底为单晶蓝宝石，则在所述实施例之一中，经过转换的膜部分为多晶氧化铝(“b”＝0.0，并且“a”＝1.5)。在衬底为蓝宝石的另一实施例中，所沉积膜为SiOaNb，对“a”和“b”的值进行调整，|(nfilm)-(ns)|>0.10，使得经过转换的膜为SOaNb，“a”和“b”的值被调整为使得转换之后，|(nfilm)-(ns)|≤0.10或|(nfilm)-(ns)|<0.05。如上所述，在室温下，经过转换的膜中的压缩应力的范围可以为0.001GPa到10GPa，典型地，范围为0.01GPa到2GPa，如范围为0.1GPa到1GPa。
此温度降低实施例的Tc总体上比Td低至少100℃。如上所述，膜材料的转换可以改变膜的组成，转换范围为其沉积厚度的10％到100％。可以通过热氮化、渗碳、氧化或这些技术的组合通过在处理室中提供氧、氮、碳的气态物质和/或通过在原始沉积膜的表面上沉积厚度介于10A到1微米之间的含固体碳化合物膜进行所述转换。还可以使含氧气体、含碳气体和含氮气体的混合物流入处理室中。还可以通过功率足以产生由这些气体形成的等离子体的RF能量来增强转换过程。
一旦沉积完成，就例如将膜冷却到Tc，并且(例如，通过等离子体增强氧化、氮化或碳化或这些的组合)将其厚度的至少一部分转换成不同的相或不同的材料组成，以提供|(nfilm)-(ns)|<0.10。经过转换的膜部分的硬度为衬底的硬度的至少50％，其中维氏硬度值的范围为500Kg/mm2到10,000Kg/mm2或努氏硬度值的范围为500到10,000或莫氏硬度的范围为6.0到10.0。
选择所沉积膜材料的标准是|(αf-αs)|＞1.0×10-6/K，如|(αf-αs)|为1.0×10-6/K到2.0×10-5/K。此过程在膜上产生的热压缩应力(σ)通过以下压缩应力等式给出：
σ＝E[(αf-αs)(Td-Tc)+(αfc-αs)(Tc-TRT)]+Eintrinsic
其中σ为膜(f)中的热压缩应力，E为衬底(s)的杨氏模量，αfc为转换之后膜的热膨胀系数，TRT为室温，并且Eintrinsic为沉积期间的固有生长应力。如果经过转换的膜的组成与衬底的组成相同，则αfc＝αc。当如上所述降低到室温时，所得到的膜的σ的压缩应力的范围可以为0.001Gpa到10Gpa，如范围为0.1到2.0GPa。经过转换的膜与衬底的CTE不匹配(αfc-αs)可以小于所沉积膜与衬底之间的CTE不匹配|(αf-αs)|的50％，其中范围为1.0×10-6/K到1.0×10-5/K。在一些实施例中，αfc＝αs。
任选的所公开特征是，陶瓷衬底的表面粗糙度如上所述可以为0.5A到10微米RMS不等或低于2A，其中典型的粗糙度值的范围为2A到10微米(当在500微米×500微米的区域中测量时)。由于本文所公开的经过转换的膜的折射率通常与陶瓷衬底的折射率紧密匹配(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)，因此衬底的粗糙度不会产生显著的光学散射。相对粗糙的衬底表面的优点在于，可以通过在衬底的顶表面产生3维应力梯度层来改善膜的粘附性。
任选地，冷却到室温之后，可以通过化学机械抛光(CMP)或金刚石研磨法对经过转换的膜进行抛光以获得光滑表面。可以用含胶态二氧化硅颗粒的浆料来执行CMP工艺，所述浆料的pH范围为5到13.5，并且颗粒浓度为0.1重量％到70重量％不等，并且一次粒径的范围为2nm到300nm。在CMP期间，抛光压力的范围可以为0.1psi到25psi。
可以在各种大气(例如，空气、氧气、真空氮气等)中在范围为200℃到3,000℃的温度下对制品的衬底/膜结构进行热处理，其中时间为1秒到1,000小时不等，典型的时间范围介于10分钟与10小时之间。
一个具体的所公开实施例在低于Tc的Td下在陶瓷衬底上沉积膜，其中在膜转换工艺之后，膜的热膨胀系数(CTE)低于陶瓷衬底的CTE(αf-αs)＜0)并且(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)。膜转换包括：在不进行任何化学转换的情况下使温度从Td升高以达到温度Tr，所述温度Tr为大于1,000℃的高温；保持处于温度Tr，持续范围为2秒到多达7天的固定时间段，使得热应力基本上松弛；且然后将温度降低到Tc，其中膜转换条件使膜变成在组成和相中的至少一个方面经过转换的膜，使得|(nfilm)-(ns)|≤0.10。然后，将温度从Tc降低到室温。在膜沉积期间，膜可以获得高达+/-10GPa的应力。所沉积膜或经过转换的膜的厚度可以为100A到100微米不等。膜的厚度可以为100A到100微米不等。可以通过使用一或多种含碳气体、含氧气体或含氮气体或者在膜的表面上添加薄的一层(10A到1微米)含碳固体来完成膜转换工艺。通过此工艺在膜上产生的σ通过上文示出的σ等式给出。
此实施例的实例是：在范围为-100℃到600℃的沉积温度下在蓝宝石或氧化铝衬底上沉积SiAlON膜，使得(|(nfilm)-(ns)|>0.10)；并且将膜/衬底加热到1,200℃到2,500℃以达到松弛温度，从而使应力松弛；并且然后将温度降低到Td，以使膜转换成新的相/微结构或组成，使得(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)。
温度升高膜转换方法的实例是向蓝宝石或氧化铝、玻璃、尖晶石或透明陶瓷衬底赋予双轴压缩应力。蓝宝石或氧化铝衬底可以呈多晶态、非晶态或单晶态。对于单晶蓝宝石，可以以与C平面、R平面或M平面成+/-20°的方式切割所述表面。一种示例衬底是硅基玻璃。所沉积膜具有组成SiCON，使得|(nfilm)-(ns)|>0.10。如上所述，所沉积膜之间的CTE的差值|(αf-αs)|的范围可以为1.0×10-6/K到2×10-5/K。
图3示出了如智能电话等具有使用图2中示出的制品200的显示屏的被示出为通用移动电话的蜂窝电话300的绘图。蜂窝电话300包含被示出为只读存储器(ROM)311和随机存取存储器(RAM)312的存储器、如微处理器等用于运行应用的处理器315、数字信号处理器(DSP)320、数模转换器(DAC)316、模数转换器(ADC)317和包含RF升频转换器和RF降频转换器的射频(RF)部分318。蜂窝电话300用于进行频率转换的基本组件是RF混频器。还示出了编解码器(编码器-解码器)319。
蜂窝电话300包含天线329和发射/接收(Tx/Rx)开关328。包含了Tx/Rx开关328，因为只存在一个天线329用于在不同时间进行发射和接收两者，其中Tx/Rx开关328用于在不同时间将Tx路径和Rx路径两者与一个天线连接。
Tx/Rx开关由DSP 320如基于全球移动通信系统(GSM)的帧结构关于在下行链路和上行链路两者中为所述特定GSM移动电话分配的物理时隙自动控制。由DSP 320执行的基带处理将要通过空中接口承载的语音/数据转换成基带信号。这是针对各种空中接口标准因调制解调器而发生变化的核心部分。
对于语音/音频，编解码器319用于对信号进行压缩和解压缩，以使数据速率与其必须装入的帧相匹配。ADC 317和DAC 316用于在移动电话中将模拟语音信号转换成数字信号，并且反之亦然。在发射路径上，将经过ADC转换的数字信号给予语音编码器。存在各种可用的ADC，其中流行的一种为Σ-Δ类型。AGC(自动增益控制)和AFC(自动频率控制)在接收器路径中用于控制增益和频率。AGC有助于令人满意地维持DAC316的工作，因为其使信号保持处于DAC 316的动态范围内。AFC使频率误差保持处于极限内，以实现更好的接收器性能。
应用层在微处理器315上运行。各种应用在GSM移动电话中运行，所述应用包含音频、视频和图像/图形应用。电池332是用于使移动电话起作用/使移动电话保持起作用的电源。麦克风(MIC)333将空气压力变化(语音的结果)转换成电信号，以耦接在印刷电路板(PCB)上以供进一步处理。扬声器334将电信号转换成可听信号(压力振动)，以使人听到。提供了显示器335，如LCD(液晶显示器)、TFT(薄膜晶体管)屏幕、OLED(有机发光二极管)类型。还提供了键盘336和接通/断开开关337以及用户识别模块(SIM)卡338。
所公开的制品可以用于各种其它装置，如具有显示屏的几乎任何装置或系统。
实例
通过以下具体实例进一步说明了所公开的实施例，所述实例不应被解释为以任何方式限制本公开的范围或内容。
实例1
在一个实施例中，在AlON、蓝宝石或氧化铝衬底上沉积AlOaNb膜(a+b<1.5)。对于此实例，膜的CTE小于衬底的CTE。一种情况是“a”的值＝0.0，并且典型地，“a”的值为0.0到0.5不等。同样，所沉积的AlOaNb膜的折射率比衬底的折射率高>0.10。这通过用于调整膜中的“a”和“b”的值的处理实现。沉积温度可以为500℃到2,500℃不等，典型的沉积温度为800℃到1700℃。可以通过溅射、物理气相沉积、蒸发、CVD或基于HVPE的方法沉积膜。膜的厚度可以为100A到10微米不等。沉积过程期间的微结构可以为非晶态到多晶态不等。
在沉积过程之后，膜中的固有应力的范围可以为+1GPa到-1GPa。在转换之后，形成AlOxNy膜，其中(x+y<1.5)，其中x>a，并且y<b，并且膜的折射率与衬底的折射率大致相同。一种具体情况是：“x”的值＝1.5，并且y＝0，并且“x”的值的范围为0.5到1.5。膜材料转换过程在比沉积温度低至少100℃的温度下通过氧化进行。对于氧化，含氧气体(空气、氧气等)流入沉积室中。还可以使用等离子体诱导过程来增加氧气的反应性。温度Tc下的转换过程可以持续1分钟到几小时。在转换过程之后，可以将制品冷却到室温。预期的是，在膜冷却之后，膜中的压缩热应力的范围可以为0.01GPa到10GPa，其中范围可以为0.1GPa到2.0GPa。在转换之后，膜的折射率和衬底的折射率大致相同(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)。预期的是，经过转换的膜的平均晶粒尺寸的范围为10A到100微米，并且膜的莫氏硬度值的范围可以大于5.0，或维氏硬度可以介于500Kg/mm2到4,000Kg/mm2之间，努氏硬度值可以为500到3,000。在一些实施例中，衬底是蓝宝石，并且在转换之后，衬底的表面上的膜为氧化铝。
在此实例中，氧化铝膜(AlO1.5或Al2O3)可以处于alpha(α)相或δ或γ相，其中多晶晶粒尺寸的范围为如10A到40微米。氧化铝膜的压缩应力的范围可以为0.01GPa到2GPa，而蓝宝石衬底的抗拉应力比膜的压缩应力低至少10倍。膜中的α氧化铝的晶格参数中的至少一个晶格参数将比氧化铝的理想值(a＝4.785A，c＝12.991A)小至少0.01％(当通过如基于X射线衍射的方法等材料表征技术测量时)，并且将比蓝宝石衬底的对应晶格参数高至少0.01％。膜中的晶格参数较低是由压缩效应引起的。
实例2：在此实例中，在介于500℃与2,500℃之间的温度下在蓝宝石、氧化铝或AlON衬底上沉积SiCaNbOc(其中a+b+c<2.0)膜。在这种情况下，膜的CTE低于衬底的CTE。同样，对膜的组成进行控制，使得膜的折射率比衬底的折射率(|(nfilm)-(ns)|)高至少大于0.10的值。可以通过溅射、蒸发、PVD或CVD沉积膜。在沉积之后，将温度降低至少100℃以进行转换过程。在转换过程中，膜被氧化，使得碳或氮的量减少并且膜中的氧含量增加。在转换过程之后，膜的折射率与衬底的折射率大致相同(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)。
膜可以呈无晶态或多晶态，其中晶粒尺寸为10A到100微米不等。膜的维氏硬度值的范围可以为500Kg/mm2到4500Kg/mm2或努氏硬度值可以为500到4,000。衬底的实例是单晶蓝宝石。在转换之后，在温度Tc下，经过转换的膜可以为SiOaNb，其中(a+b<2.0)。在将膜冷却到室温后，压缩热应力的范围可以为0.1GPa到10GPa。
实例3：在此实例中，在介于-200℃与1200℃之间的温度下在玻璃衬底上沉积包括SiNaOb的膜(其中a+b<2.0)。在这种情况下，膜的CTE高于陶瓷衬底的CTE。同样，对膜的组成进行控制，使得膜的折射率比陶瓷衬底高至少大于0.10的值。可以通过溅射、蒸发、PVD或CVD沉积膜。在沉积之后，可以将温度升高至少100℃，以进行转换过程。在转换过程中，膜被氧化，使得氮的量减少并且膜中的氧含量增加。在转换过程之后，膜的折射率和衬底的折射率大致相同(|(nfilm)-(ns)|≤0.10)。膜可以呈无晶态或多晶态，其中晶粒尺寸为10A到100微米不等。膜的维氏硬度值的范围可以为500Kg/mm2到4500Kg/mm2或努氏硬度值可以为500到4,000。示例衬底基本上是硅基玻璃衬底。在转换之后，在温度Tc下，经过转换的膜可以为SiO2。在将膜冷却到室温后，压缩热应力的范围为0.01GPa到2GPa。膜的莫氏硬度总体上为大于6.0或维氏硬度大于1,000GPa。
虽然上文已经描述了本发明的各个实施例，但是应当理解，所述实施例仅通过举例而非限制的方式呈现。在不脱离本文所公开的主题的精神或范围的情况下，可以根据本公开对所公开的实施例作出各种改变。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述实施例的限制。相反，本公开的范围应根据以下权利要求和其等效物限定。
