СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ САПФИРОВОЙ ЗАТРАВКИ, А ТАКЖЕ МОНОКРИСТАЛЛА САПФИРА С ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЙ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ И ВНЕШНИХ ДЕТАЛЕЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ЧАСОВОГО И ЮВЕЛИРНОГО ДЕЛА Российский патент 2023 года по МПК C30B29/20 C30B33/00 C30B11/02 C30B11/04 C30B11/14 C30B15/02 C30B15/04 C30B15/34 C30B15/36 C30B17/00 C30B29/64 C30B29/66 B28D5/00 G04B39/00 A44C5/00 A44C17/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу изготовления монокристаллической сапфировой затравки с предпочтительной кристаллографической ориентацией. Настоящее изобретение также относится к способу изготовления монокристалла сапфира с предпочтительной кристаллографической ориентацией из такой монокристаллической сапфировой затравки. Настоящее изобретение также относится к внешним деталям и функциональным компонентам для часового и ювелирного дела, вырезаемым из такого монокристалла сапфира.

Известный уровень техники

Так называемые монокристаллические материалы представляют собой уникальный макроскопический кристалл, размер которого может варьироваться от одного миллиметра до нескольких метров. Одно из самых распространенных применений монокристаллов - ювелирное дело: действительно, многие украшения из драгоценных камней изготавливаются из монокристаллов, таких как рубины, сапфиры, алмазы и т.д. Однако, хотя это не очень широко известно, роль монокристаллов в области передовых технологий очень важна, поскольку кремний, используемый в электронике и в некоторых фотогальванических элементах, а также соединения, используемые во многих твердотельных лазерах, являются монокристаллами. Применение монокристаллических материалов весьма разнообразно - от простой лазерной указки до мощных лазеров для ядерного синтеза, изготовления турбин самолетов или оптики.

Соединение в виде монокристалла может обладать особыми оптическими свойствами, такими как прозрачность или двойное лучепреломление. В чистом виде кристалл оксида алюминия Al₂O₃ прозрачен и обычно используется для изготовления часовых стекол в часовой промышленности. При окрашивании легирующими добавками или примесями кристалл оксида алюминия Al₂O₃ используется в качестве драгоценного камня. Химическое окружение атомов и ионов, образующих монокристалл, идеально определено и организовано повторяющимся образом, легирующая добавка, введенная в это окружение, имеет лишь несколько возможных мест для размещения, что позволяет этой легирующей добавке придавать монокристаллу очень специфические свойства. Например, когда монокристаллический материал легируют для создания из него источника лазерного излучения, легирующая добавка распределяется по ограниченному числу участков, так что энергия, излучаемая легирующей добавкой во время ее электронных переходов, изменяется незначительно, что позволяет получить тонкое лазерное излучение. Аналогично, конкретное определение участков, которые легирующая добавка может занимать в легируемом монокристалле, позволяет изменять свойства, присущие присутствию такой легирующей добавки. Например, присутствие ионов Cr³⁺ в кристалле оксида алюминия является причиной красной окраски рубина, тогда как берилл (Be₃Al₂Si₆O₁₈) с тем же ионом Cr³⁺ будет зеленым, и тогда он будет называться изумрудом.

Следовательно, наличие дефектов в виде легирующих добавок в монокристаллическом соединении желательно для технологических применений. Однако то же самое нельзя сказать о неконтролируемых примесях, структурных дефектах, таких как линейные дефекты и трещины. Поэтому, как правило, стремятся использовать монокристаллы максимально высокого возможного качества. В природе можно найти монокристаллы, но они, как правило, редки и очень дефектны. Поэтому с начала XX века были разработаны многочисленные способы синтеза. Существует несколько типов способов получения искусственного монокристалла:

- из пересыщенного раствора соединения;

- из расплавленного соединения;

- путем химического осаждения из паровой фазы.

Мы сосредоточились на синтезе монокристаллов путем кристаллизации в расплавленном состоянии, что составляет около 80% искусственно полученных монокристаллов. Первый способ кристаллизации монокристаллических соединений в расплавленном состоянии был предложен французом Огюстом Вернейлем. Способ, предложенный в 1891 году, когда Вернейль пытался синтезировать рубин для ювелирного дела, заключается в том, что расплавленный материал кристаллизуется в контакте с частью монокристалла, называемой затравкой, полученной заранее. Для синтеза корунда формулы Al₂O₃, из которого состоят рубины и сапфиры, необходимо обеспечить очень высокую температуру (температура плавления 2050°C), которая достигается с помощью кислородно-водородной горелки H₂ + ½O₂→H₂O, температура пламени которой составляет около 2700°C. Оксид алюминия, возможно легированный, вводится в виде мелкого порошка с помощью вибратора, который сбрасывает небольшое количество порошка непосредственно в пламя горелки. Образованная таким образом капля расплавленного оксида алюминия падает на вершину затравки и кристаллизуется в соответствии с кристаллографическим расположением этой затравки. Растущий монокристалл постепенно опускают вниз, чтобы кристаллизация происходила при постоянной температуре. В конце синтеза получают монокристалл в форме бутылки.

Способ Вернейля используется до сих пор практически в неизменном виде, в частности, для промышленного производства корунда для ювелирного и часового дела (рубины, сапфиры, часовые стекла и т.д.). Хотя при этом получаются монокристаллы, более дефектные, чем полученные другими способами, способ Вернейля имеет то преимущество, что он относительно менее дорогой и быстрый; с помощью этого способа, например, можно получить монокристалл примерно за десять часов. Тем не менее, монокристаллы сапфира, полученные способом Вернейля, имеют высокую плотность линейных дефектов и неконтролируемых локальных разориентаций. В свою очередь, другие дефекты, также присутствующие в монокристаллах Вернейля, такие как пузырьки, паутинки и другие включения, могут быть видны невооруженным глазом, например, в готовом часовом стекле.

Настоящее изобретение относится к способам синтеза монокристаллов путем кристаллизации в расплавленном состоянии в тигле. В частности, изобретение относится к выращиванию монокристаллов способами EFG, HEM, Kyropoulos, Czochralski, Bridgman Vertical, Bridgman Horizontal и Micro Pulling Down.

Предложенный в 1915 году Я. Чохральским способ, названный его именем, является знаковым способом кристаллизации монокристаллов в расплавленном состоянии. Основанный на том же принципе, что и способ Вернейля, а именно на плавлении материала и росте кристаллов в контакте с предварительно полученной монокристаллической затравкой, способ Чохральского, тем не менее, отличается от способа Вернейля тем, что материал, подлежащий плавлению, вводится целиком и расплавляется в начале эксперимента, а не вводится постепенно в небольшом количестве. Для этого расплавляемый материал помещают в тигель, изготовленный из химически инертного материала, выдерживающего высокие температуры, такого, например, как платина или иридий. Тигель помещается в центр электропроводящих обмоток, по которым протекает высокочастотный ток, что позволяет нагревать тигель индукционным способом. Когда материал расплавлен, и температура стабилизирована, полученная заранее монокристаллическая затравка помещается на огнеупорный стержень и приводится в контакт с расплавленным материалом. После этого затравку медленно поднимают в более холодную зону, где расплавленный материал кристаллизуется в контакте с затравкой. Таким образом, монокристалл вытягивается из расплавленного материала. Огнеупорный стержень постоянно вращается, чтобы гомогенизировать слой расплавленного материала, который должен кристаллизоваться.

В способе Чохральского должен осуществляться тщательный контроль температуры, так как необходимо поддерживать температуру, очень близкую к температуре плавления кристаллизуемого материала, но не слишком высокую, чтобы не расплавить затравку, что приведет к ее потере. Однако сложность реализации способа Чохральского компенсируется высоким качеством получаемых кристаллов, что делает его проверенным способом выращивания кристаллов с этой точки зрения.

Благодаря своим исключительным физическим свойствам, сапфир с химическим составом Al₂O₃ подходит для многочисленных применений. Сапфир является самым твердым и самым прочным материалом после алмаза и поэтому может использоваться в часовой промышленности, а также в отраслях, требующих высоких эксплуатационных характеристик. Синтетический сапфир инертен, прозрачен в полированном состоянии, устойчив к кислотам, обладает низкой электропроводностью и, имея температуру плавления более 2000°C, подходит для самых сложных применений. Сапфир практически неразрушим и на практике устойчив к любым внешним агрессивным воздействиям. Часовые стекла и технические компоненты из сапфира устойчивы к царапинам, их поверхность непористая, блестящая, а прозрачность после полировки идеальна.

Как описано выше, способы синтеза монокристаллов путем кристаллизации в расплавленном состоянии в тигле позволяют получать высококачественные монокристаллические сапфиры. Тем не менее, эти способы являются дорогостоящими, поскольку для получения качественных кристаллов требуются более медленные темпы роста, а также большая по количеству и более сложная оснастка, например, тигли. Таким образом, продолжительность изготовления монокристалла способом Чохральского может составлять одну неделю и более. Именно поэтому желательно производить монокристаллы, которые по возможности не имеют дефектов.

Часовые стекла получают путем механической обработки заготовок, вырезанных из монокристалла сапфира. В данный момент монокристаллы сапфира, полученные кристаллизацией в расплавленном состоянии в тигле, получают путем выращивания этих монокристаллов в направлении, соответствующем одной из главных кристаллографических осей, обычно [A] или [M] сапфира. Эти режимы роста кристаллов в настоящее время приводят к получению заготовок, нормалью к поверхности которых является кристаллографическая ось [A] или [M], а кристаллографическая ось [C] лежит в этой поверхности. Однако было обнаружено, что при такой кристаллографической ориентации заготовки обладают большей хрупкостью при механической обработке, что приводит к большему количеству сколов. Соответственно, часовые стекла сложнее обрабатывать, и процент брака выше, что существенно увеличивает себестоимость таких стекол.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение направлено на преодоление вышеупомянутых проблем, а также других проблем путем предложения способа изготовления монокристаллов сапфира, позволяющего получать монокристаллы сапфира, которые являются менее дефектными и легче поддаются механической обработке.

В качестве предварительного замечания, важно понимать, что монокристаллические сапфировые затравки, которые будут рассматриваться далее, вырезаются специально из первого монокристалла сапфира, затем эти монокристаллические сапфировые затравки используются для выращивания вторых монокристаллов сапфира, из которых будут вырезаться желаемые заготовки стекол.

С этой целью настоящее изобретение относится к способу изготовления монокристаллической сапфировой затравки, причем такая монокристаллическая сапфировая затравка имеет ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10), при этом упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой пластину, ограниченную двумя плоскими гранями, продолжающимися параллельно и на некотором расстоянии друг от друга, упомянутая монокристаллическая сапфировая пластина получена из исходного монокристалла сапфира, который разрезан таким образом, что одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] монокристаллической сапфировой пластины образует с нормалью к плоским граням этой монокристаллической сапфировой пластины угол, значение которого составляет от 5 до 85°.

В одном из особых вариантов осуществления, настоящее изобретение также относится к способу изготовления монокристаллической сапфировой затравки, причем такая монокристаллическая сапфировая затравка имеет ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (1010) ромбоэдрической структуры, причем эта монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой брусок, предварительно полученный из исходного монокристалла сапфира, который разрезают таким образом, что одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] полученного монокристаллического сапфирового бруска образует с нормалью к поперечному сечению этого монокристаллического бруска сапфира угол, значение которого находится в пределах от 5 до 85°.

В другом особом варианте осуществления, настоящее изобретение также относится к способу изготовления монокристалла сапфира, включающему в себя этап плавления оксида алюминия и/или сапфира в тигле, последующее приведение плавящегося оксида алюминия и/или сапфира в контакт с затравкой монокристаллического сапфира, имеющей форму пластины или бруска, чтобы заставить расплавленный оксид алюминия и/или сапфир постепенно кристаллизоваться в соответствии с направлением роста для формирования монокристалла сапфира.

В еще одном особом варианте осуществления, настоящее изобретение также относится к способу изготовления монокристалла сапфира кристаллизацией из расплавленного состоянии на верхней части матрицы, причем этот способ включает в себя этап плавления оксида алюминия и/или сапфира в тигле, последующее приведение по каналам матрицы расплавленного оксида алюминия и/или сапфира в контакт с монокристаллической сапфировой затравкой, полученной заранее, чтобы заставить расплавленный оксид алюминия и/или сапфир кристаллизоваться постепенно в соответствии с направлением роста для формирования монокристалла сапфира, причем монокристаллическая сапфировая затравка имеет ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой первую пластину, ограниченную двумя плоскими гранями, которые продолжаются параллельно и на некотором расстоянии друг от друга, причем одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] перпендикулярна плоским граням первой монокристаллической сапфировой пластины, упомянутая первая монокристаллическая сапфировая пластина наклонена под углом от 5 до 85° по отношению к перпендикуляру к плоскости, определяемой каналами матрицы, при этом монокристалл сапфира, получаемый в результате выращивания, представляет собой вторую монокристаллическую сапфировую пластину, ограниченную двумя плоскими гранями, продолжающимися параллельно и на некотором расстоянии друг от друга, при этом вторая монокристаллическая сапфировая пластина имеет разориентацию своих кристаллографических осей [A], [C] или [M] относительно нормали к их плоским граням, соответствующую наклону первой пластины относительно каналов матрицы.

В соответствии с конкретными вариантами осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа:

- кристаллографическая ось [A] или [M] или [C] образует с нормалью к плоским граням монокристаллической сапфировой пластины угол, значение которого находится в пределах от 25 до 35°;

- кристаллографическая ось [A] или [M] или [C] образует с нормалью к плоским граням монокристаллической сапфировой пластины угол, значение которого составляет от 5 до 15°;

- способ изготовления монокристалла сапфира выбирают из числа способов EFG, HEM, Kyropoulos (способ Кирополуса), Czochralski (метод Чохральского), Bridgman Vertical (вертикальный способ Бриджмена), Bridgman Horizontal (горизонтальный способ Бриджмена) и Micro Pulling Down (микровытягивание);

- оксид алюминия и/или расплавленный сапфир являются чистыми или легированными;

- используют обрезки сапфира;

- после получения монокристалла сапфира из него вырезают внешние детали или функциональные компоненты для часового или ювелирного дела;

- внешние детали или функциональные компоненты представляют собой часовые мосты, пластины, стекла, корпуса и циферблаты или звенья браслетов.

Согласно другому особому варианту осуществления, настоящее изобретение относится к способу изготовления монокристаллического сапфирового цилиндра, включающему в себя этап сверления сердцевины монокристаллического сапфирового шара, выращенного по одной из кристаллографических осей [A] или [M] или [C] с помощью режущего инструмента, в направлении, которое образует с кристаллографической осью роста монокристаллического сапфирового шара угол, составляющий от 5 до 85°.

Изобретение также относится к монокристаллической сапфировой затравке, имеющей ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, причем упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой пластину, ограниченную двумя плоскими гранями, которые продолжаются параллельно и на некотором расстоянии друг от друга, при этом одна из кристаллографических осей монокристаллической сапфировой пластины образует с нормалью к плоским граням упомянутой монокристаллической сапфировой пластины угол, величина которого составляет от 5 до 85°.

Изобретение также относится к монокристаллической сапфировой затравке, имеющей ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, причем упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой монокристаллический сапфировый брусок, одна из кристаллографических осей которого образует с нормалью к поперечному сечению этого монокристаллического сапфирового бруска угол, значение которого находится в пределах от 5 до 85°.

Изобретение также относится к заготовке часового стекла, ограниченной двумя гранями, которые продолжаются на некотором расстоянии друг от друга и по меньшей мере одна из которых является плоской, причем эта заготовка изготовлена из монокристаллического сапфира, имеющего ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и соответственно перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, причем одна из кристаллографических осей образует с нормалью к плоской грани заготовки угол, величина которого составляет от 5 до 85°, так что кристаллографическая ось не лежит в плоской грани заготовки.

Наконец, изобретение относится к внешним деталям и функциональным компонентам для часового и ювелирного дела, в частности, к часовым мостам, пластинам, стеклам, корпусам и циферблатам или звеньям браслетов, вырезанным из монокристалла сапфира, полученного в соответствии с предлагаемым в изобретении способом.

Благодаря этим отличительным признакам, настоящее изобретение обеспечивает способ, позволяющий облегчить механическую обработку часовых стекол. Более конкретно, часовые стекла, полученные благодаря осуществлению предлагаемого в настоящем изобретении способа, вырезают из монокристаллов сапфира в виде пластины или бруска, полученных путем выращивания кристалла в контакте с монокристаллической сапфировой затравкой, которые обрабатывают таким образом, чтобы одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] монокристаллической сапфировой пластины или бруска образовывала с нормалью к плоским граням пластины, соответственно, с нормалью к поперечному сечению бруска, угол от 5 до 85°. Заготовки часовых стекол, вырезанные в монокристалле сапфира, полученном в результате осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа, имеют одну из своих кристаллографических осей [A], [C] или [M], сдвинутую по углу относительно нормали к их поверхности на величину, равную разориентации одной из кристаллографических осей [A], [C] или [M] сапфировой затравки, из которой получен монокристалл сапфира, из которого вырезаны эти заготовки. Следовательно, угловой сдвиг кристаллографической оси [A], [C] или [M] по отношению к нормали к плоским граням пластины или поперечному сечению монокристаллического сапфирового бруска, служащего затравкой для выращивания монокристалла сапфира, приводит к тому, что кристаллографическая ось [C] в целом не лежит в плоскости заготовок часовых стекол, так что, как правило, удается избегать наибольшей хрупкости при механической обработке, которая обычно наблюдается в местах, где упомянутая кристаллографическая ось [C] пересекает края заготовок часовых стекол. Следовательно, заготовки часовых стекол имеют меньшую твердость и, соответственно, легче поддаются механической обработке. В частности, учитывая тот факт, что эти заготовки часовых стекол менее хрупкие, и риск того, что края этих заготовок обломятся во время обработки, значительно снижается. Кроме того, часовые стекла, полученные согласно предлагаемому в настоящем изобретении способу, имеют мало, а возможно, вообще не имеют линейных дефектов и локальных и неконтролируемых изменений ориентации монокристалла сапфира.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания примера осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа, которое приводится исключительно в иллюстративных и неограничивающих изобретение целях со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:

на Фиг. 1 - способ EFG выращивания кристаллов, позволяющий получать несколько монокристаллов сапфира из монокристаллической сапфировой затравки в виде пластины, изготовленной в соответствии с изобретением;

на Фиг. 2 - заготовка часового стекла, вырезанная из монокристалла сапфира, полученного путем выращивания кристалла в контакте с монокристаллической сапфировой затравкой в виде пластины, изготовленной в соответствии с изобретением;

на Фиг. 3 - монокристаллическая сапфировая затравка в форме бруска, изготовленная в соответствии с изобретением;

на Фиг. 4А - так называемый шар Киропулоса, выращенный в направлении кристаллографической оси [A], из которого вырезается брусок, который будет служить затравкой для выращивания монокристалла сапфира в соответствии с изобретением;

на Фиг. 4В - монокристалл сапфира в форме шара Киропулоса, полученный с помощью затравки, показанной на Фиг. 4A, в котором с помощью алмазного инструмента и в соответствии с направлением роста этого монокристалла сапфира вырезается цилиндр, позволяющий получать заготовки часовых стекол в соответствии с изобретением;

на Фиг. 4C - так называемый шар Киропулоса, в котором с помощью алмазного инструмента непосредственно вырезается цилиндр, что позволяет получать заготовки часовых стекол в соответствии с изобретением;

на Фиг. 5 - вид сверху матрицы для выращивания монокристаллов сапфира в соответствии с другим вариантом осуществления предлагаемого в настоящем изобретении способа;

на Фиг. 6 - вид сбоку сечения матрицы, показанной на Фиг. 5;

на Фиг. 7 - вид сверху часового стекла, полученного в соответствии с предлагаемым в изобретении способом и помещенного между двумя скрещенными поляризаторами;

на Фиг. 8 - схематичная иллюстрация вырезания заготовок часовых стекол в монокристалле сапфира типа EFG;

на Фиг. 9 - схематичная иллюстрация нарезания заготовок часовых стекол из монокристаллического сапфирового цилиндра.

Подробное описание изобретения

В основе настоящего изобретения лежит основная изобретательская идея, которая заключается в изготовлении часовых стекол, в частности, из заготовки, вырезанной в монокристалле сапфира, полученном путем выращивания кристалла в расплавленном состоянии в тигле в контакте с монокристаллической сапфировой затравкой в виде пластины или бруска. Оригинальность изобретения заключается, в частности, в том, что монокристаллическая сапфировая затравка, используемая для выращивания монокристалла сапфира, из которого вырезают заготовки стекла, сама вырезана из монокристалла сапфира таким образом, что кристаллографическая ось [C], перпендикулярная кристаллографической плоскости (0001) примитивной ячейки монокристалла сапфира, из которого вырезают эти заготовки стекла, не лежит в плоскости последней. Более конкретно, первый монокристалл сапфира вырезают таким образом, чтобы получить монокристаллическую сапфировую затравку в виде пластины с плоскими гранями, где одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] образует с нормалью к плоским граням пластины, соответственно к поперечному сечению бруска, угол в пределах от 5 до 85°. Далее, разориентация кристаллографических осей [A], [C] или [M] в монокристаллической сапфировой затравке обнаруживается в монокристалле сапфира, который выращивается в контакте с этой монокристаллической сапфировой затравкой, затем в заготовках часовых стекол, которые вырезаются в этом монокристалле сапфира. Наконец, кристаллографическая ось [C] не лежит в плоскости заготовок стекол и поэтому не пересекает края этих заготовок. Таким образом, удается избежать наибольшей хрупкости при механической обработке, которая обычно наблюдается, когда кристаллографическая ось [C] пересекает края заготовок часовых стекол. Таким образом, заготовки часовых стекол становятся менее хрупкими и, следовательно, легче поддаются механической обработке. В частности, значительно снижается риск образования сколов.

На Фиг. 1 схематически показан способ EFG изготовления монокристалла сапфира с помощью монокристаллической сапфировой затравки, полученной в соответствии с изобретением. Монокристаллическая сапфировая затравка, обозначенная ссылочной позицией 1, имеет форму пластины 2, ограниченной двумя плоскими гранями 4, которые продолжаются параллельно и на некотором расстоянии друг от друга. Такая монокристаллическая затравка 1 имеет ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (1010) примитивной ячейки сапфира.

Согласно изобретению, монокристаллическую сапфировую затравку 1 вырезают в первом монокристалле сапфира таким образом, что, например, кристаллографическая ось [С] полученной пластины 2 повернута относительно кристаллографической оси [М] для образования с нормалью D1 к плоским граням 4 этой пластины 2 угла α, значение которого находится в пределах от 5 до 85°, например 10°. Кристаллографические оси [A], [C] и [M] перпендикулярны друг другу, кристаллографическая ось [A] также смещена на тот же угол α по отношению к плоским граням 4 пластины 2, в то время как кристаллографическая ось [M] повернута на 10° относительно самой себя и поэтому не перемещается.

Следует отметить, что способы вырезания монокристаллической сапфировой затравки из монокристалла сапфира в соответствии с предпочтительным направлением известны специалисту в области выращивания монокристаллов сапфира и поэтому не будут подробно рассматриваться в настоящем документе.

Как следует из Фиг. 1, монокристаллическая сапфировая затравка 1 вытягивается вдоль кристаллографической оси [M], которая определяет направление L роста монокристаллов 6 сапфира. Каждый монокристалл 6 сапфира получают путем приведения расплавленного оксида алюминия и/или сапфира в контакт с монокристаллической сапфировой затравкой 1 на одной из вершин матрицы, и последующего постепенного вытягивания этой монокристаллической сапфировой затравки 1 в соответствии с направлением L роста, чтобы медленно отвести ее от расплавленного оксида алюминия и/или сапфира и обеспечить постепенный рост монокристалла 6 сапфира.

В соответствии с изобретением, монокристаллическая сапфировая затравка 1 используется для выращивания монокристаллов 6 сапфира, из которых будут вырезаться заготовки 8 часовых стекол 10. Эти заготовки 8 часовых стекол 10 ограничены двумя гранями, которые продолжаются на некотором расстоянии друг от друга и по меньшей мере одна из которых 12 является плоской. Монокристаллическая сапфировая затравка 1 имеет форму пластины 2, которая сама вырезана в исходном монокристалле сапфира таким образом, что, например, ее кристаллографическая ось [C] повернута относительно кристаллографической оси [M] для образования с нормалью D1 к плоским граням 4 пластины 2 угла α, значение которого составляет от 5 до 85°, например 10°. Далее, разориентация кристаллографических осей [A] и [C] в монокристаллической сапфировой затравке 1 обнаруживается в монокристаллах 6 сапфира, которые выращиваются в контакте с этой монокристаллической сапфировой затравкой 1, и затем в заготовках 8 часовых стекол 10, которые вырезаются в этих монокристаллах 6 сапфира.

Наконец, как показано на Фиг. 2, из-за разориентации кристаллографических осей [A] и [C], кристаллографическая ось [C] не лежит в плоской грани 12 заготовок 8 часовых стекол 10 и поэтому не пересекает края 14 этих заготовок 8. Таким образом, удается избегать наибольшей хрупкости при механической обработке, которая обычно наблюдается в местах, где упомянутая кристаллографическая ось [C] пересекает края 14 заготовок 8 часовых стекол 10. Таким образом, заготовки 8 часовых стекол 10 являются менее хрупкими и, следовательно, легче поддаются механической обработке. В частности, значительно снижается риск сколов, и уменьшаются потери.

На Фиг. 3 схематически показан монокристаллический сапфировый брусок 16A, используемый в способе выращивания кристаллов, например, в способе Киропулоса. Такой монокристаллический сапфировый брусок 16A имеет ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) примитивной ячейки сапфира.

Согласно изобретению и как показано на Фиг. 4А, монокристаллический сапфировый брусок 16А вырезают из предварительно полученного монокристаллического сапфирового шара 18А таким образом, что, например, кристаллографическая ось [A] полученного монокристаллического сапфирового бруска 16A повернута вокруг кристаллографической оси [M] для образования с нормалью D2 к поперечному сечению S этого монокристаллического сапфирового бруска 16A угла α, значение которого составляет от 5 до 85°, например 10°. Кристаллографические оси [A], [C] и [M] перпендикулярны друг другу, кристаллографическая ось [C] также смещена на тот же угол α по отношению к поперечному сечению S монокристаллического сапфирового бруска 16A, тогда как кристаллографическая ось [M] поворачивается вокруг себя и поэтому не перемещается. Далее (см. Фиг. 4B), разориентация кристаллографических осей [A] и [C] в монокристаллическом сапфировом бруске 16A обнаруживается в монокристаллическом сапфировом шаре 18B, который выращивается путем приведения расплавленного оксида алюминия и/или сапфира в контакт с этим монокристаллическим сапфировым бруском 16A. Далее, с помощью алмазного режущего инструмента 20 можно вырезать монокристаллический сапфировый цилиндр 16B в монокристаллическом сапфировом шаре 18B в соответствии с направлением D3 роста последнего из монокристаллического сапфирового бруска 16A. После этого заготовки 8 часовых стекол 10, изготовленные в соответствии с изобретением, могут быть, в свою очередь, вырезаны в этом монокристаллическом сапфировом цилиндре 16B.

На Фиг. 4C показан монокристаллический сапфировый шар 18C, например, шар типа Киропулоса, в котором с помощью режущего инструмента 20 выполняется сверление сердцевины в направлении, образующем с кристаллографической осью [A] роста этого сапфирового монокристаллического шара 18C угол α, величина которого составляет от 5 до 85°, например, 10°. Таким образом могут быть получены монокристаллические сапфировые цилиндры 16С, позволяющие нарезать предлагаемые в настоящем изобретении заготовки 8 часовых стекол 10.

Следует отметить, что способы вырезания в предварительно полученном монокристаллическом сапфировом шаре, например в шаре Киропулоса, в предпочтительном направлении монокристаллической сапфировой затравки, будь то в форме пластины 2 с плоскими гранями 4 или в форме бруска 16А, известны специалисту в области выращивания монокристаллов сапфира и поэтому не будут подробно описываться в настоящем документе.

Наконец, из-за разориентации кристаллографической оси [A] относительно нормали к поперечному сечению S монокристаллического сапфирового бруска 16A, кристаллографическая ось [C] обычно не лежит в плоской грани 12 заготовок 8 часовых стекол 10 и поэтому обычно не пересекает края 14 этих заготовок 8. Таким образом удается избегать наибольшей хрупкости, которая обычно наблюдается в местах, где упомянутая кристаллографическая ось [C] пересекает края 14 заготовок 8 часовых стекол 10. Таким образом, заготовки 8 часовых стекол 10 являются менее хрупкими и, следовательно, легче поддаются механической обработке. В частности, значительно снижается риск сколов, и уменьшаются потери.

Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления и что можно рассмотреть различные простые модификации и варианты, не выходя за рамки объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. В частности, вместо изготовления монокристаллической сапфировой затравки в виде пластины, кристаллографическая ось которой имеет ненулевой угол по отношению к нормали к плоским граням, ограничивающим эту пластину, как объяснено выше, можно также рассмотреть, как показано на Фиг. 5 и 6, использование монокристаллической сапфировой затравки 22 в виде первой пластины 24, кристаллографическая ось [C] которой, например, имеет ненулевой угол относительно нормали к плоским граням 26, ограничивающим эту первую пластину 24. Согласно особому варианту осуществления изобретения, такая монокристаллическая сапфировая затравка 22 используется для выращивания монокристаллов сапфира 28 на вершинах матрицы 30, которая состоит из множества каналов 32, которые продолжаются параллельно и на некотором расстоянии друг от друга и внутри которых проходит расплавленный оксид алюминия и/или сапфир. Затем этот расплавленный оксид алюминия и/или сапфир вступает в контакт с монокристаллической сапфировой затравкой 22 и начинает кристаллизоваться, образуя монокристаллы сапфира 28 в виде вторых пластин. Каждая из этих вторых пластин монокристаллического сапфира ограничена двумя плоскими гранями 34, которые продолжаются параллельно и на некотором расстоянии друг от друга. В этом случае, наклоняя монокристаллическую сапфировую затравку 22 на угол α, значение которого составляет от 5 до 85°, например 10°, по отношению к перпендикуляру P к плоскости, в которой проходят каналы 32 матрицы 30, вторые пластины монокристаллического сапфира, полученные в результате выращивания кристалла, имеют такую же разориентацию их кристаллографической оси [A] относительно нормали к их плоским граням 34, как и пластины, полученные с помощью монокристаллической сапфировой затравки, имеющей разориентацию кристаллографических осей, как описано выше со ссылкой на Фиг. 1.

На Фиг. 7 представлен вид сверху часового стекла 10, полученного согласно предлагаемому в настоящем изобретении способу и помещенного между двумя скрещенными поляризаторами. На Фиг. 7 видно, что часовое стекло 10 не имеет дефектов, таких как линейные дефекты или неконтролируемые локальные изменения ориентации. Следует также понимать, что в соответствии с предлагаемым в изобретении способом оксид алюминия и/или сапфир находятся в расплавленном состоянии. Эти материалы могут быть чистыми или легированными. Предпочтительно, но без ограничения, легирующие материалы выбирают из группы, включающей в себя титан, железо, хром, кобальт и ванадий, используемые по отдельности или в комбинации. Что касается используемого сапфира, то он предпочтительно состоит из отходов, таких как низкокачественные кристаллы сапфира или другие обломки или обрезки, полученные на различных этапах изготовления часовых стекол 10. Настоящее изобретение описано, в частности, на примере изготовления часовых стекол 10. Само собой разумеется, что этот пример приведен только в чисто иллюстративных и неограничивающих целях, и что настоящее изобретение в целом применимо к изготовлению внешних деталей и функциональных компонентов, в частности, для часового и ювелирного дела, таких как часовые мосты, пластины, корпуса и циферблаты или звенья наручных браслетов.

Как показано на Фиг. 8, заготовки 8 часовых стекол 10 вырезаны в монокристалле сапфира 6 типа EFG. Как показано на Фиг. 9, следует понимать, что заготовки 8 часовых стекол 10 получены из монокристаллического сапфирового цилиндра 16B, вырезанного в сапфировом монокристаллическом шаре 18B в соответствии с направлением D3 роста последнего из монокристаллического сапфирового бруска 16A. Другими словами, заготовки 8 часовых стекол 10 вырезаются перпендикулярно направлению D3 роста сапфирового монокристаллического шара 18B. Как правило, толщина заготовок 8 часовых стекол 10 составляет от 1 до 2 мм и может достигать 10 мм. Наконец, следует отметить, что во всем вышеприведенном описанном термин "брусок" относится к затравке, а термин "цилиндр" - к монокристаллу сапфира.

Перечень ссылочных позиций

1 Монокристаллическая сапфировая затравка

2 Пластина

4 Плоские грани

α Угол

D1 Нормаль

L Направление роста

6 Монокристалл сапфира

8 Заготовки

10 Часовые стекла

12 Плоская грань

14 Края

16A Монокристаллический сапфировый брусок

16B Монокристаллический сапфировый цилиндр

16C Монокристаллический сапфировый цилиндр

18A Монокристаллический сапфировый шар

18B Монокристаллический сапфировый шар

18C Монокристаллический сапфировый шар

D2 Нормаль

S Поперечное сечение

D3 Направление роста

20 Режущий инструмент

22 Монокристаллическая сапфировая затравка

24 Первая пластина

26 Плоские грани

28 Монокристаллы сапфира

30 Матрица

32 Каналы

34

Плоские грани образует с нормалью к плоским граням упомянутой монокристаллической сапфировой пластины угол, величина которого составляет от 5 до 85°.

Изобретение также относится к монокристаллической сапфировой затравке, имеющей ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, причем упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой монокристаллический сапфировый брусок, одна из кристаллографических осей которого образует с нормалью к поперечному сечению этого монокристаллического сапфирового бруска угол, значение которого находится в пределах от 5 до 85°.

Изобретение также относится к заготовке часового стекла, ограниченной двумя гранями, которые продолжаются на некотором расстоянии друг от друга и по меньшей мере одна из которых является плоской, причем эта заготовка изготовлена из монокристаллического сапфира, имеющего ромбоэдрическую кристаллографическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и соответственно перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, причем одна из кристаллографических осей образует с нормалью к плоской грани заготовки угол, величина которого составляет от 5 до 85°, так что кристаллографическая ось [C] не лежит в плоской грани заготовки.

Наконец, изобретение относится к внешним деталям и функциональным компонентам для часового и ювелирного дела, в частности, к часовым мостам, пластинам, стеклам, корпусам и циферблатам или звеньям браслетов, вырезанным из монокристалла сапфира, полученного в соответствии с предлагаемым в изобретении способом.

Благодаря этим отличительным признакам, настоящее изобретение обеспечивает способ, позволяющий облегчить механическую обработку часовых стекол. Более конкретно, часовые стекла, полученные благодаря осуществлению предлагаемого в настоящем изобретении способа, вырезают из монокристаллов сапфира в виде пластины или бруска, полученных путем выращивания кристалла в контакте с монокристаллической сапфировой затравкой, которые обрабатывают таким образом, чтобы одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] монокристаллической сапфировой пластины или бруска образовывала с нормалью к плоским граням пластины, соответственно, с нормалью к поперечному сечению бруска, угол от 5 до 85°. Заготовки часовых стекол, вырезанные в монокристалле сапфира, полученном в результате

Изобретение может быть использовано в электронике, лазерной и ядерной технике, оптике, самолётостроении или в ювелирном деле при изготовлении деталей фотогальваники, твердотельных лазеров, турбин самолётов, а также лазерных указок или украшений. Монокристаллическая сапфировая затравка (1) представляет собой монокристаллическую сапфировую пластину (2), ограниченную двумя расположенными на расстоянии друг от друга плоскими параллельными гранями (4), и имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру с перпендикулярными друг другу кристаллографическими осями [A], [C] и [M], соответственно перпендикулярными кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10). Упомянутая пластина (2) получена из исходного монокристалла сапфира, разрезанного так, что одна из осей [A], [C] или [M] образует с нормалью (D1) к плоским граням (4) угол (α) от 5 до 85°. По другому варианту монокристаллическая сапфировая затравка (1) может представлять собой сапфировый брусок, полученный из исходного монокристалла сапфира, разрезанного таким образом, что одна из кристаллографических осей [А], [C] или [M] образует с нормалью к его поперечному сечению угол от 5 до 85°. Чистый или легированный оксид алюминия и/или сапфир или обрезки сапфира плавят в тигле. Расплав приводят в контакт с вышеуказанной монокристаллической сапфировой затравкой (1) для кристаллизации в соответствии с направлением роста. Монокристалл выращивают одним из следующих способов: Степанова, теплового обмена, Киропулоса, Чохральского, вертикального или горизонтального способа Бриджмена или микровытягивания. Для изготовления монокристаллического сапфирового цилиндра сердцевину выращенного указанным способом монокристаллического сапфирового шара сверлят с помощью режущего инструмента. Из полученного монокристалла сапфира можно вырезать внешние детали или функциональные компоненты для часового или ювелирного дела, например мосты, пластины, корпуса и циферблаты часов или звенья браслетов. Из полученного монокристалла можно также изготовить заготовку часового стекла, ограниченную расположенными на расстоянии друг от друга двумя гранями, по меньшей мере одна из которых является плоской, причём кристаллографическая ось [C] монокристалла не лежит в плоской грани указанной заготовки. Изобретение позволяет получить менее дефектные монокристаллы сапфира, легче поддающиеся механической обработке. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ изготовления монокристаллической сапфировой затравки, причем упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка (1) имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10), и упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка (1) представляет собой пластину (2), ограниченную двумя плоскими параллельными гранями (4), расположенными на расстоянии друг от друга, причем указанная монокристаллическая сапфировая пластина (2) получена из исходного монокристалла сапфира, который разрезан таким образом, что одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] монокристаллической сапфировой пластины (2) образует с нормалью (D1) к плоским граням (4) этой монокристаллической сапфировой пластины (2) угол (α), значение которого составляет от 5 до 85°.

2. Способ изготовления монокристаллической сапфировой затравки, имеющей ромбоэдрическую кристаллическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой монокристаллический сапфировый брусок (16А), предварительно полученный из исходного монокристалла сапфира (18А), который разрезан таким образом, что одна из кристаллографических осей [А], [C] или [M] монокристаллического сапфирового бруска (16A) образует с нормалью (D2) к поперечному сечению (S) этого монокристаллического сапфирового бруска (16A) угол (α), значение которого составляет от 5 до 85°.

3. Способ изготовления монокристалла (6; 18B) сапфира, включающий в себя этап плавления оксида алюминия и/или сапфира в тигле, последующее приведение расплавленного оксида алюминия и/или сапфира в контакт с монокристаллической сапфировой затравкой, полученной при осуществлении способа по одному из пп. 1 или 2, чтобы заставить расплавленный оксид алюминия и/или сапфир кристаллизоваться в соответствии с направлением роста для формирования монокристалла (6; 18В) сапфира.

4. Способ изготовления монокристаллического сапфирового цилиндра (16C), имеющего ромбоэдрическую кристаллическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, при этом способ включает в себя этап сверления с помощью режущего инструмента (20) сердцевины монокристаллического сапфирового шара (18C), выращенного в соответствии с одной из кристаллографических осей [A], или [M], или [C], в направлении, которое образует с кристаллографической осью роста монокристаллического сапфирового шара (18C) угол, значение которого составляет от 5 до 85°.

5. Способ изготовления по п. 3, при котором кристаллографическая ось [A], [M] или [C] образует с нормалью (D1) к плоским граням (4) монокристаллической сапфировой пластины (2) угол, значение которого находится в пределах от 25 до 35°.

6. Способ изготовления по п. 3, при котором кристаллографическая ось [A], [M] или [C] образует с нормалью (D1) к плоским граням (4) монокристаллической сапфировой пластины (2) угол, значение которого составляет от 5 до 15°.

7. Способ изготовления по п. 3, при котором кристаллографическая ось [A], [M] или [C] образует с нормалью (D2) к поперечному сечению (S) монокристаллического сапфирового бруска (16A) угол, величина которого составляет от 25 до 35°.

8. Способ изготовления по п. 3, при котором кристаллографическая ось [A], [M] или [C] образует с нормалью (D2) к поперечному сечению (S) монокристаллического сапфирового бруска (16A) угол, значение которого составляет от 5 до 15°.

9. Способ изготовления по одному из пп. 3-8, который выбран из способа Степанова (EFG), способа теплового обмена (HEM), способа Киропулоса (Kyropoulos), способа Чохральски (Czochralski), вертикального способа Бриджмена (Bridgman Vertical), горизонтального способа Бриджмена (Bridgman Horizontal) и способа микровытягивания (Micro Pulling Down).

10. Способ изготовления по одному из пп. 3-9, в котором расплавляемый оксид алюминия и/или сапфир являются чистыми или легированными.

11. Способ изготовления по п. 10, в котором используют обрезки сапфира.

12. Способ изготовления по одному из пп. 3-11, в котором после получения монокристалла сапфира из него вырезают внешние детали или функциональные компоненты для часового или ювелирного дела.

13. Способ изготовления по п. 12, в котором внешние детали или функциональные компоненты представляют собой мосты, пластины, корпуса и циферблаты часов или звенья браслетов.

14. Монокристаллическая сапфировая затравка, имеющая ромбоэдрическую кристаллическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, при этом упомянутая монокристаллическая сапфировая затравка представляет собой монокристаллический сапфировый брусок (16A), одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] которого образует с нормалью (D2) к поперечному сечению (S) этого монокристаллического сапфирового бруска (16A) угол (α), значение которого составляет от 5 до 85°.

15. Заготовка (8) часового стекла (10), ограниченная двумя гранями, которые расположены на расстоянии друг от друга и по меньшей мере одна из которых (12) является плоской, причем эта заготовка (8) изготовлена из монокристаллического сапфира, имеющего ромбоэдрическую кристаллическую структуру, определяющую три кристаллографические оси [A], [C] и [M], перпендикулярные друг другу и, соответственно, перпендикулярные кристаллографическим плоскостям A (11-20), C (0001) и M (10-10) ромбоэдрической структуры, причем одна из кристаллографических осей [A], [C] или [M] образует с нормалью к плоской поверхности заготовки угол, значение которого находится в пределах от 5 до 85°, так что кристаллографическая ось [C] не лежит в плоской грани (12) заготовки (8) часового стекла (10).