[发明专利]碳化硅宝石

说明书

本发明涉及人造宝石，特别地，本发明涉及由半透明单晶碳化硅制成的人造宝石。

宝石概述：具有能用作宝石的物理特性的元素和化合物数量有限。虽然热稳定性、化学稳定性和韧性在许多宝石应用领域也被认为很重要，但一般认为其最重要的物理特性有硬度、折射率和颜色。

由于金刚石(单晶碳)和刚玉(蓝宝石和红宝石[单晶氧化铝])的硬度以莫氏硬度计测量在约9以上，故他们至今被典型地看作极珍贵宝石的仅有几种化学物质。莫氏系统是一种划分材料硬度等级的标度，按照该系统，金刚石最硬，硬度为10，蓝宝石硬度为9，黄玉为8，直到最软质的材料滑石的硬度为1。虽然祖母绿的硬度只有7.5，但由于其稀少，故仍被认为是珍贵宝石，而其他宝石，例如金绿宝石、黄玉和石榴石等，由于硬度低，故常被划分为半珍贵宝石。硬度的实用价值在于它定义了宝石抵抗刻划的能力。

由于折射率定义了宝石折射光线的能力，故它很重要。当高折射率材料被制作成宝石成品时它们在日光下能闪光和呈现光泽。金刚石的特征闪光主要由于其折射率高。

宝石的颜色取决于很多因素，从能被包含进入晶格点阵的杂质原子，到晶体本身的物理和电学性能。例如，红宝石只不过是含有少量浓度的铬杂质原子的蓝宝石晶体(氧化铝)。

在把宝石镶嵌到珠宝内的过程中，宝石的热和化学稳定性很重要。一般地，如果宝石能加热到高温而不改变颜色或与环境气体相反应(这会损害其表面光洁度)，是极有利的。

宝石的韧性涉及宝石吸收能量而不击碎、压碎或撞碎的能力。宝石必须能够抵抗在镶嵌在指环或其它珠宝饰物及使用期间所正常遇到的那些冲击力。

所有硬度、折射率、颜色、热/化学稳定性和韧性这些特性一起决定了材料作为宝石的用途。

人造金刚石宝石：自60年代以来，General Electric Company开始致力于制造宝石质量级的人造金刚石，并取得了许多专利，包括美国专利No.4042673，这些努力围绕着使用超高压/高温环境来在籽晶上生长单晶金刚石。宝石质量级人造金刚石普遍未得到商业认可。

用作磨料和半导体材料的人造碳化硅：碳化硅在自然界中很稀少，然而它作为磨料产品以晶体形态已生产了80多年。在自然界中和磨料中发现的碳化硅晶体是黑色不透明的，因为它们含有大量的杂质原子。

在60和70年代期间着手进行了大量开发研究，目的是为了生长用于生产半导体器件的低杂质浓度的大(块)碳化硅晶体。这些努力的结果最后导致了1990年出现了商用的、相对低杂质浓度的、半透明的碳化硅晶体。只生产和投入市场了用于半导体器件的很薄的、绿色或兰色(175μm--400μm厚)的薄片的这些碳化硅晶体。

碳化硅具有很高的硬度(取决于晶型[原子排列]和晶向，为8.5-9.25莫氏硬度)和高的折射率(取决于晶型，为2.5-2.71)。另外碳化硅是一种很韧性的材料并且极其稳定，能在空气中加热到2000·F以上而不损坏。

碳化硅是一种复杂的材料系统，形成有150多种不同的晶型，每一种都有不同的物理和光学性能。这些不同的晶型可划分为三种基本形态：立方晶系、菱形晶系和六方晶系。在许多原子堆积顺序不同的各种原子排列中既可出现菱形晶系，也能出现六方晶系。

本发明在一种广义的角度上是一种新发现，即相对低杂质浓度、半透明的单晶碳化硅晶体--目前用作生产超薄半导体器件的材料--也能生长为有所需颜色并且然后切割、批刻面和抛光成人造宝石成品。该宝石成品有：(1)接近金刚石硬度的硬度；(2)优异的韧性；(3)优异的热/化学稳定性；(4)能使碳化硅宝石具有即使不更有光泽的话也有与金刚石一样光泽的高折射率。根据本发明的这一方面，通过适宜的技术例如美国再颁专利No.34861所揭示的升华技术生长碳化硅单晶体，优选地其色彩一致。与把大块晶体切成许多薄切片相反，该晶体作为梨形模(boule)被切割成重量在例如1/4到5克拉数量级的粗人造宝石，该粗宝石然后被制成人造碳化硅宝石成品。批刻面和抛光技术源于现用于批刻面和抛光有色宝石例如红宝石和蓝宝石等的那些技术，包括用于金刚石的一定工序。

如上所述，优选地碳化硅单晶体生长的条件与生产用于半导体用途的低杂质含量必须使用的条件相同或相似，当然应当理解在使材料具有用作宝石用途的适宜半透明度和其它光学性能所需相一致的可接受范围内，能允许更高的杂质含量。