用于制造單晶藍寶石晶種和藍寶石單晶的方法以及用于鐘表和珠寶的外部構件和功能構件技術

本發明專利技術涉及用于制造藍寶石單晶(6)的方法，包括：使氧化鋁和/或藍寶石在坩堝中熔化，然后使熔融的氧化鋁和/或藍寶石與單晶藍寶石晶種(1)接觸，以使其沿生長方向逐漸結晶以形成藍寶石單晶，單晶藍寶石晶種具有菱面體晶體結構，其限定了彼此垂直且分別垂直于晶面A(112

【技術實現步驟摘要】
用于制造單晶藍寶石晶種和藍寶石單晶的方法以及用于鐘表和珠寶的外部構件和功能構件


[0001]本專利技術涉及一種用于制造具有優選晶向的單晶藍寶石晶種的方法。本專利技術還涉及一種由這種單晶藍寶石晶種制造具有優選晶向的藍寶石單晶的方法。本專利技術還涉及在這種藍寶石單晶中切割的用于鐘表和珠寶的外部構件和功能構件。

技術介紹

[0002]所謂的單晶材料由獨特的宏觀晶體構成，其尺寸可以從一毫米到幾米不等。單晶最常見的用途之一是珠寶制作：事實上，許多珠寶飾品是由紅寶石、藍寶石、鉆石等單晶制成的。然而，盡管這通常不為人知，但是單晶在前沿技術中的作用至關重要，因為電子產品和一些光伏電池中使用的硅以及相當多固體激光器中使用的化合物都是單晶的。從簡單的激光棒到用于飛行器渦輪機或光學器件中的核聚變的功率激光器，單晶材料的應用非常多樣化。
[0003]在單晶形式中，化合物可以具有特定的光學性質，例如透明度或雙折射。純凈時，氧化鋁Al2O3晶體是透明的，在鐘表行業中常用于制造表鏡。當被摻雜劑或雜質著色時，氧化鋁Al2O3晶體被用作寶石。形成單晶的原子和離子的化學環境被完美地限定并以重復的方式組織，在這種環境中引入的摻雜劑只有幾個可用的占據位點，這使得這種摻雜劑能夠為單晶賦予非常特定的性質。例如，當摻雜單晶材料以由它制造激光發射源時，摻雜劑分布在有限數量的位點上，使得摻雜劑在其電子躍遷過程中發射的能量僅發生輕微變化，從而可以獲得精細的激光發射。類似地，摻雜劑在單晶摻雜劑中可能占據的位點的具體限定允許改變這種摻雜劑的存在所固有的特性。例如，氧化鋁晶體中Cr
3+
離子的存在是紅寶石呈紅色的起源，而包含相同Cr
3+
離子的綠柱石(Be3Al2Si6O
18
)會呈綠色；于是將其稱為綠寶石。
[0004]因此，對于技術應用來說，希望在單晶化合物中存在摻雜劑形式的缺陷。然而，對于不受控制的雜質以及位錯和斷裂等結構缺陷而言，情況并非如此。因此，一般來說，人們尋求使用盡可能高品質的單晶。在自然界中可以找到單晶，但這些通常很少見且缺陷非常多。這就是為什么自二十世紀初以來開發了許多合成技術的原因。有幾種類型的工藝可以獲得人造單晶：
[0005]?
由化合物的過飽和溶液獲得；
[0006]?
由熔融化合物獲得；
[0007]?
通過化學氣相沉積獲得。
[0008]我們在此著重于通過在熔融狀態下結晶來合成單晶，其代表接近80％的所獲得的人造單晶。第一種使處于熔融狀態的單晶化合物結晶的方法是由法國人Auguste Verneuil專利技術的。1891年，Verneuil在尋求用于珠寶制造的合成紅寶石時提出的該方法包括使熔融材料與一部分預先獲得的稱為晶種的單晶接觸而結晶。為了合成構成紅寶石和藍寶石的配方為Al2O3的剛玉，需要升高到非常高的溫度(熔點為2,050℃)，該溫度借助于火焰溫度為約2,700℃的氫氧火炬H2+1/2O2→
H2O達到。可能摻雜的氧化鋁通過振動器以細粉的形式引入，
振動器使少量氧化鋁直接掉入火炬的火焰中。如此形成的熔融的氧化鋁滴掉落在晶種的頂部并跟隨該晶種的晶體排列而結晶。逐漸降低正在生長的單晶，以便在恒定溫度下進行結晶。在合成結束時，獲得瓶形式的單晶。
[0009]迄今為止，Verneuil工藝仍然幾乎以同樣的方式使用，特別是用于珠寶制造和鐘表制造的剛玉(紅寶石、藍寶石、表鏡等)的工業生產。雖然它生成的單晶比通過其它方法獲得的單晶缺陷更多，但Verneuil工藝的優點是成本相對較低且速度較快；借助于這種方法，例如可以在大約十小時內獲得單晶。然而，通過Verneuil工藝獲得的藍寶石單晶具有較高的位錯密度和不可控的局部取向偏移。此外，Verneuil單晶中還存在的其它缺陷，例如氣泡、網狀物和其它夾雜物，例如在成品表鏡中可以用肉眼看到。
[0010]本專利技術著重于通過在坩堝中以熔融狀態結晶來合成單晶的方法。特別地，本專利技術著重于導模法(EFG)、熱交換法(HEM)、泡生法(Kyropoulos)、提拉法(Czochralski)、垂直布里奇曼法(Bridgman Vertical)、水平布里奇曼法(Bridgman Horizontal)和微下拉法(Micro Pulling Down)類型的生長單晶的技術。
[0011]J.Czochralski在1915年提出的具有相同名稱的工藝是用于使處于熔融狀態下的單晶結晶的標志性方法。基于與Verneuil工藝相同的原理，即，材料的熔化和與預先獲得的單晶晶種接觸的晶體生長，但Czochralski工藝與Verneuil工藝的不同之處在于，待熔化的材料在實驗開始時被全部加入并熔化，而不是逐漸少量加入。為此，將待熔化的材料置于由尤其諸如鉑或銥等化學惰性材料制成并可承受高溫的坩堝中。將坩堝放置在導電繞組的中心，高頻電流流過導電繞組，從而允許對坩堝進行感應加熱。一旦材料熔化并且溫度穩定，就將預先獲得的單晶晶種放置在耐高溫棒上并使之與熔融材料進行接觸。之后，晶種向較冷區域緩慢上升，熔融材料在該較冷區域中與晶種接觸而結晶。因此，從熔融材料中拉出單晶。耐高溫棒連續旋轉，以便使即將結晶的熔融材料層均勻化。
[0012]在Czochralski工藝中，溫度控制應該小心，因為我們應該將溫度設定得非常接近待結晶材料的熔點，但溫度不會太高，因為這會導致晶種熔化而損耗。然而，實施Czochralski工藝的困難被它產生的高品質晶體所彌補，這使得它從這個角度來看是一種經過驗證的晶體生長技術。
[0013]由于其卓越的物理特性，具有化學成分Al2O3的藍寶石適用于無數應用。藍寶石是僅次于鉆石的最堅硬、最耐磨的材料，因此可用于鐘表行業以及高性能領域的行業。合成藍寶石是惰性的，在拋光狀態下透明，耐酸，導電率低，熔點超過2,000℃，適用于最苛刻的用途。藍寶石幾乎堅不可摧，并且在實踐中可以抵抗所有外部侵入。由藍寶石制成的表鏡和技術部件可防刮擦，其表面無孔、有光澤，拋光后透明度極佳。
[0014]如上所述，用于通過在坩堝中以熔融狀態結晶來合成單晶的方法允許制造高品質的單晶藍寶石。然而，這些方法是昂貴的，因為所需晶體的品質需要一般較慢的生長速率以及諸如坩堝之類的數量更大且更復雜的工具。因此，制造Czochralski單晶的持續時間可以長達一周或更長。這就是為什么需要生產盡可能無缺陷的單晶的原因。
[0015]表鏡是通過加工在藍寶石單晶中切割的坯料而獲得的。然而，迄今為止，通過在坩堝中以熔融狀態結晶生產的藍寶石單晶是通過沿對應于主晶軸之一的方向——一般為藍寶石的[A]或[M]——生長這些單晶而獲得的。這些晶體生長模式目前導致表面法線為晶軸[A]或[M]的坯料，晶軸[C]包含在該表面中。然而，已經發現，對于這樣的晶向，坯料在加工
方面具有更大的易碎性，這會導致更多的碎屑。因此，表鏡更難加工，報廢率更高，大大增加了此類表鏡的成本價格。

技術實現思路

[0016]本專利技術旨在通過提供一種用于本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種用于制造單晶藍寶石晶種的方法，該單晶藍寶石晶種(1)具有菱面體晶體結構，所述菱面體晶體結構限定了彼此垂直并且分別垂直于晶面C(0001)和的三個晶軸[A]、[C]和[M]，該單晶藍寶石晶種(1)是由兩個平面(4)界定的板(2)，所述兩個平面(4)彼此平行且相隔一定距離延伸，該板(2)是從初始藍寶石單晶獲得的，所述初始藍寶石單晶被切割，使得所述板(2)的所述晶軸[A]、[C]和[M]中的一個與所述板(2)的所述平面(4)的法線(D1)形成一角度(α)，所述角度(α)的值介于5
°
與85
°
之間。2.一種用于制造單晶藍寶石晶種的方法，該單晶藍寶石晶種具有菱面體晶體結構，所述菱面體晶體結構限定了彼此垂直并且分別垂直于所述菱面體晶體結構的晶面C(0001)和的三個晶軸[A]、[C]和[M]，該單晶藍寶石晶種是預先從初始藍寶石單晶(18A)獲得的單晶藍寶石棒(16A)，所述初始藍寶石單晶(18A)被切割，使得所述單晶藍寶石棒(16A)的所述晶軸[A]、[C]和[M]中的一個與所述單晶藍寶石棒(16A)的橫截面(S)的法線(D2)形成一角度(α)，所述角度(α)的值介于5
°
與85
°
之間。3.一種用于制造藍寶石單晶(6；18B)的方法，該方法包括以下步驟：使氧化鋁和/或藍寶石在坩堝中熔化，然后使熔融的氧化鋁和/或藍寶石與通過執行根據權利要求1或2所述的方法獲得的單晶藍寶石晶種相接觸，以便使熔融的氧化鋁和/或藍寶石沿生長方向逐漸結晶以形成所述藍寶石單晶(6)。4.一種用于制造單晶藍寶石柱(16C)的方法，該單晶藍寶石柱(16C)具有菱面體晶體結構，所述菱面體晶體結構限定了彼此垂直并且分別垂直于所述菱面體晶體結構的晶面C(0001)和的三個晶軸[A]、[C]和[M]，該方法包括以下步驟：借助于切割工具(20)在已經沿所述晶軸[A]或[M]和[C]中的一個生長的藍寶石單晶球(18C)中沿與所述藍寶石單晶球(18C)的生長晶軸形成一角度的方向進行鉆進取芯，所述角度的值介于5
°
與85
°
之間。5.一種用于制造通過在模具的頂部以熔融狀態結晶而獲得的藍寶石單晶(28)的方法，該方法包括以下步驟：使氧化鋁和/或藍寶石在坩堝中熔化，然后使在所述模具(30)的通道(32)中的熔融的氧化鋁和/或藍寶石與預先獲得的單晶藍寶石晶種(22)相接觸，以便使熔融的氧化鋁和/或藍寶石沿生長方向逐漸結晶以形成所述藍寶石單晶(28)，所述單晶藍寶石晶種(22)具有菱面體晶體結構，所述菱面體晶體結構限定了彼此垂直并且分別垂直于所述菱面體晶體結構的晶面C(0001)和的三個晶軸[A]、[C]和[M]，所述單晶藍寶石晶種(22)是第一板(24)，所述第一板(24)由彼此平行且相隔一定距離延伸的兩個平面(26)界定，所述晶軸[A]、[C]和[M]中的一個垂直于所述第一板(24)的平面(26)，所述第一板(24)相對于由所述模具(30)的所述通道(32)限定的平面的垂線(P)以一角度(α)傾斜，所述角度(α)的值介于5
°
與85
°
之間，由晶體生長產生的所述藍寶石單晶是第二板，所述第二板由彼此平行且相隔一定距離延伸的兩個平面(34)界定，所述第二板的晶軸[A]、[M]或[C]相對于所述第二板的所述平面(34)的法線具有取向偏移，該取向偏移對應于所述第一板(24)相對于所述模具(30)的所述通道(32)傾斜的所述角度(α)。6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述晶軸[A]、[M]或[C]與所述板(2)的所
述平面(4)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：D，
申請(專利權)人：柯馬杜股份有限公司，
類型：發明
國別省市：