CN1273655C - 用氮化铝和氮化铝∶碳化硅合金制成的仿真钻石宝石 - Google Patents

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Abstract

用琢面和抛光无色合成氮化铝或氮化铝：碳化硅合金块状单晶来制作仿钻石宝石。

Description

用氮化铝和氮化铝∶碳化硅合金制成的仿真钻石宝石
技术领域
本发明涉及人工制造的宝石。更具体地讲，本发明涉及用无色氮化铝(AlN)单晶和无色氮化铝∶碳化硅(AlN∶SiC)合金单晶来制造仿真钻石。
背景技术
宝石概述：
只有很少的元素和化合物具有可以用作宝石的物理特性。被普遍接受为最重要的物理特性是硬度，折射系数及颜色，虽然对于很多宝石应用，热稳定性，化学稳定性和刚性也被认为是重要的。
到目前为止，在技术上认为是贵重宝石的化学物质只有钻石(单晶碳)和刚玉(蓝宝石和红宝石[单晶氧化铝])，因为它们的硬度，如用莫氏硬度标(Mohs Scale)来量度，约为9或更高。莫氏系统是把矿物的硬度加以分类的一种标度，把硬度最高的金刚石标为10，把蓝宝石标为9，黄玉为8，一直到最软的矿物，滑石，为1。翡翠，由于它稀少，也被承认是贵重宝石，虽然它的硬度是7.5，而其他宝石，例如金绿玉，黄玉，石榴石，由于它们比较低的硬度，通常被分类为半贵重宝石。硬度的实际价值在于，它确定了宝石抵御划伤的能力。
折射率是重要的，因为它确定了宝石折射光线的能力。当具有高折射率的材料制作成成品宝石后，在光线照射下将闪闪发光，炫耀明亮。钻石闪闪发光的特性主要由于它高的折射率。
宝石的颜色取决于许多因素，从可以进入晶格的杂质原子到晶体自身的物理和电子学结构。例如红宝石，无非是含有少量浓度铬杂质原子的刚玉单晶(氧化铝)。
在把宝石安装到首饰上去的过程中。它的热稳定性和化学稳定性可能是重要的。如果宝石能够加热到高温而不变颜色或不与周围气体反应(这反应将损害表面的完美)，一般讲这是有利的。
宝石的坚固性涉及宝石吸收能量而又不破碎或破裂的能力。宝石必须能够承受在终身使用过程中，装在戒指上或其他首饰上常常要遇到的那种冲击力。
硬度，折射率，颜色，热/化学稳定性和坚固性联合起来，是决定某种材料用作宝石其可用性的全部特性。
人工制作的钻石宝石：
在60年代，通用电器公司(Geneaal Electric Company)进行了生产宝石质量人工制造钻石的努力，这可以从包括US Patent No.4,042,673的众多专利得证。这些努力环绕着用非常高的压力/高温环境来在籽晶上生长单晶钻石。宝石质量的人工制造钻石没有得到商业上的认可。
人工制造碳化硅宝石：
如同在US Patent No.5,762,896中所述，人们发现可以生长相对低杂质，半透明，具有所需颜色的单晶碳化硅，之后通过琢面及抛光，使之成为人造宝石。这些宝石有很好的硬度，坚固性，化学和热稳定性以及能引起不平行光芒的高的折射率和色散。制造宝石的单晶是根据US Patent No.Re,34,061中所述的那类技术用升华方法生长的。
氮化铝晶体：
有一时期，人们认识到氮化铝(AlN)的物理和电子学性质使它在广泛的半导体应用中具有重要的潜力。另外，AlN的高的热导率和高的光学透明度(也即低的光学密度)，使它成为一个极好候选半导体衬底材料。虽然AlN作为半导体材料有出众的性质以及具有巨大的商业潜力，但是由于不易得到大的，低缺陷AlN单晶，用AlN作为基底的半导体器件受到了限制。Slack和McNelly在AlN Single Crystals(Journal of Crystal Growth 42，1977)一文中披露了用升华来生长AlN单晶的一种方法。然而，为了生长一片12mm长4mm宽的单晶需要约150小时。这生长速率是太低了，甚至低到无法为了电子学或任何其他终极用途，来进行AlN单晶的商业生产。
氮化铝∶碳化硅合金
可以在单晶薄膜内使AlN和碳化硅(SiC)形成合金，例如，用液相外延的方法。多晶AlN∶SiC合金也已经用静压法生长得到，然而AlN∶SiC的块状单晶合金还没有商业上生产出来。
发明内容
本发明，在一个主要的方面是把AlN或AlN∶SiC的块状单晶制作成仿真钻石宝石。这些宝石显示极好的宝石性质以及，如下面将解释的，可以制造成无色的形式，从而使它们成为非常好的仿真钻石。
根据本发明，AlN块状单晶可以用若干种技术中的一种来生长，例如：
1.固态多晶AlN的优选升华以及升华了的Al和N蒸汽在生长晶体界面上的重新凝结，而生长晶体界面通常由一籽晶提供。
2.在液浴中铝的汽化以产生源蒸汽Al的成份，它在生长坩埚中与注入到坩埚中提供N源蒸汽成份的含氮气体会合，以使Al和N两种成份可以在晶体生长界面上凝结。
3.从不断注入含氮气体气泡的铝熔液中提拉块状AlN单晶。
4.用多个优选冷却成核位置，低成本，高产出批量过程来制作块状AlN单晶。
这样生产出的块状AlN单晶有非常宽的能隙，其量值约为6ev。因而，当晶体在低杂质平生长时，它们可以生长成无色，因而可以制成仿真钻石，其颜色在美国宝石研究院(GIA)色标上位于D-J的范围。
AlN晶体可以通过琢面和抛光晶体，使它具有成品钻石宝石的形状和抛光特性，以使光线可以进入宝石并在宝石内部反射，从而制得成品仿真钻石宝石。
由单晶AlN形成宝石构成本发明的一个方面，本发明还表明块状单晶材料也可以这样形成：在晶格结构中以碳化硅取代某些AlN，从而形成AlN∶SiC合金块状单晶，它通常是”2H”六角晶体结构。为此目的，前面所述制造块状单晶AlN的沉积过程将要修改，也即在生长晶体界面上要有Si和C这两种成份的源蒸汽。某些AlN∶SiC合金晶体形成的宝石比起非合金单晶显示更优越的性质，例如，有更高的硬度和更高的折射率。在合金中虽然可以用各种不同的AlN和SiC的原子百分比，但在AlN0.99∶SiC0.01到AlN0.5∶SiC0.95范围内的合金是优选的，在AlN0.8∶SiC0.2到AlN0.5∶SiC0.5范围内的合金是最优选的。
最后，取代把AlN块状单晶与例如SiC合金，可以在AlN晶体生长时用有意在晶格中引入无电子学活性的杂质(也即等电子杂质)，也可以提高硬度和折射率。某些杂质也可以用来给晶体加上需要的宝石色。根据本发明提供的一种仿钻石宝石，它含有无色的，合成的AlN或AlN∶SiC合金的单晶，该单晶有被抛光到具有成品钻石宝石特征的光洁度的精密钻石琢面，并足以允许光射入宝石以便在宝石内部内反射。
根据本发明的上述仿钻石宝石，其中单晶是AlNx∶SiCy单晶，其中X+Y＝1，X在约0.05和1之间而Y在约0.95到0之间。
根据本发明的上述仿钻石宝石，其中单晶是AlNx∶SiCy单晶，其中X+Y＝1，X在约0.5和0.8之间而Y在约0.5和0.2之间。
根据本发明的上述仿钻石宝石，其中所述单晶由AlN构成，掺以无光学活性的杂质或补偿杂质，以提高无色或近无色AlN的硬度和折射率。
本发明还提供一种制造合成的AlN或AlN∶SiC合金单晶的仿钻石宝石的方法，它包含以下步骤：
把一块AlN或AlN∶SiC合金单晶切割成多个毛胚合成宝石；以及琢面及抛光其中一块毛胚合成宝石以得到成品宝石。
根据本发明的上述方法，还包括：根据选自优选升华：汽化和凝结、块合成和融化形成的方法，生长无色AlN或AlN∶SiC合金的单晶，以及把晶体加工成一定形状和尺寸，并形成琢面，抛光琢面到具有成品钻石宝石特征的光学光洁度，从而制造成品仿真钻石宝石。
根据本发明的上述方法，其中琢面和抛光一块由无色合成AlN或AlN∶SiC合金单晶所形成的毛胚宝石的步骤产生一成品的仿钻石宝石，其具有允许光进入宝石并在宝石内部反射的形状和抛光特性。
附图说明
本发明的某些特征在前面已有所叙述，其他特征将在之后的叙述中，结合着附图逐渐给出，在附图中：
图1是生长块状AlN单晶或AlN∶SiC合金单晶的一个完整系统的示意图。
图2是图1的中央分总成单元图，它给出排气系统第一个实施方案的细节。
图3是图2中央分总成单元的热漏简化图以及晶体界面温度闭环控制系统的示意图。
图4给出排气系统第一个替代的实施方案。
图5给出排气系统第二个替代的实施方案。
图6给出排气系统第三个替代的实施方案，它与一固定的坩埚和一晶体提拉机构联用。
图7给出一个晶体生长系统，它有一个圆柱形的电阻加热单元。
图8A给出一个与图7类似的晶体生长系统，但有一气体注入器和一个修改了形式的排气系统。
图8B1给出一个晶体生长系统，它有一个蒸汽源装置，用来建立Al和Si源蒸汽的恒定汽流，以及一个气体注入器以引入作为N源的气体。
图8B2给出一个晶体生长系统，它有一个蒸汽源装置，用来建立Al和Si源蒸汽的恒定汽流，以及一个气体注入器以引入提供N和C源气体的气体。
图8C给出一个与图8B中系统类似的晶体生长系统，不过它有不同的几何，另外在溶液Al-Si的上方加上一块水平阻隔板，以有利于引导Al和Si源蒸汽进入含有生长晶体界面的坩埚区域。
图8D给出一个与图8B和图8C装置类似的晶体生长装置，不过它有二个分开的装有产生Al和Si源蒸汽的熔化液态源。
图9A给出在圆柱形加热单元和热漏之间的热分布。
图9B给出在一个平板加热单元和热漏之间的热分布。
图10给出晶体生长系统的一部分，其中的坩埚有非常小的高度直径比。
图11A-D是图10中热漏底部的放大图，籽晶固定在热漏上，A-D分别给出在一个代表性的生长周期中四个点上逐渐推进的晶体生长界面。
图12是从铝熔液中提拉单晶以生长块状氮化铝单晶的一个系统的示意图。
图13是如同图12这样系统的一个分总成单元图，其中坩埚用感应加热线圈加热。
图14是上述晶体提拉系统一个替代实施方案的图。
图15是用多个优选冷却成核位置高产出，低成本批量过程来生长块状AlN单晶或AlN∶SiC合金单晶的整个系统的示意图。
图16是图15中晶体生长系统的炉子部分和有关部件的侧面图。
图17是基本上沿着图16中直线17-17得到的剖面图，图中显示原材料以及相关的在炉子底部直立的多孔管。
图18是图16中用圆圈18圈出区域的放大图，它显示上炉板的一部分，其上包含无籽晶的成核位置，图中还显示了相应的热漏结构，它在每一个成核位置有一个向下的栓，以便在那里提供优选的冷却。
图19A是类似图18的图，它显示另一种上炉板，带着有籽晶的成核位置。
图19B是图19A中以圆圈19B圈出的区域的进一步放大图。
图20A，20B，20C，20D显示一具有代表性的晶体生长操作的各个阶段上，图18中的无籽晶成核位置。
图21A，21B，21C，21D显示一具有代表性的晶体生长操作的各个阶段上，图19A和图19B中的有籽晶成核位置。
图22是生长块状AlN∶SiC合金单晶另一个系统的一部分的示意图，其中Al和Si源蒸汽成份从液态Al-SiC熔液中发射出去并穿过多孔的石墨介质。
图23给出类似于图22的系统，不过其中没有多孔石墨介质，而碳蒸汽成份由注入的CN气体提供。
图24是生长块状AlN∶SiC合金单晶又一个系统一部分的示意图，其中Al和Si源蒸汽成份从分别加以控制的Al液态熔液和Si液态熔液中发射出来。
图25给出类似于图24的一个系统，不过没有多孔石墨介质，而碳蒸汽成份由注入CN气体提供。
图26A，26B到31A，31B示意的表示另一种系统，它在24小时晶体生长周期中，顺序选择性的冷却沿着半径逐渐扩大的成核位置。
图32是含有一块大的单晶的人造宝石毛坯的示意图。
图33是从图32中单晶切割出来未经琢磨的人造宝石的放大了的示意图。
图34是从图33的未经琢磨的宝石加工后得到的成品人造宝石的放大了的示意图。
具体实施方式
虽然在后面将参照附图更充分地描述本发明，并说明实践本发明的优选方式，然而在叙述开始时，应当理解到在相应领域的技术人员可以修改此处描述的发明而仍然得到本发明的有利的结果。因而后面的叙述应当理解为是针对相应领域的技术人员一个广泛的，指导性质的披露而不是对本发明的限止。
本描述首先讨论制造氮化铝和氮化铝∶碳化硅合金块状单晶的各种方法，接着讨论从块状单晶制作成品宝石的方法。
(1)通过把Al和N的源蒸汽成分沉积在生长晶体界面来制造氮化铝块状单晶。
参照附图，首先是图1，其中给出根据本发明生长块状AlN单晶整个系统10主要部件的示意图。生长系统包含一个中央分总成单元，通常用20来标志。这个分总成单元内有坩埚90，加热设备51，热漏67，籽晶把手70，排气系统100以及有关结构，所有这些用来支撑籽晶以及在晶体生长操作中来控制生长晶体界面上的环境。中央分总成单元，尤其是排气系统，在本发明一般的参数下，可以采取不同的形式，有些实施方案在附图中给出。在图1的整体图中的分总成单元20在图2中给出，并将在下面结合生长系统10的其余部分详细叙述。
系统10包含一个炉膛30，它用316号不锈钢或其他合宜材料制成。炉膛30根据本领域中熟知的原则加以水冷(图中未示细节)。在炉膛30中小于10torr的压力通过节流阀34(例如由HKS Instruments，Inc.of Andover，Massachusetts，USA制作的3英寸直径的节流阀)来控制，此节流阀和真空泵系统38串接。根据本领域熟知的技术，真空泵系统38由一机械泵40，它可以把系统压力减小到10-3torr，和一涡轮分子泵42，它可以把系统压力减小到10-5torr，组成。在10torr以上的压力控制是通过磁性控制阀48来保持的，它也与真空泵系统串接。在10-3torr到1000torr之间，系统的压力用高度准确的温控绝对电容压力计50来测量，例如用MKS Instruments，Inc。，model No。390。
给系统10的热量是由电阻加热装置51提供的，它包含一水平薄板加热单元52，最好用石墨或钨制成。加热单元52可采取图2中所示的单片水平平板的形式，也可采取一对水平平板的形式，其中一块位于坩埚90的下方，一块位于坩埚的上方，以及其他后面将讨论的形式。温度控制由于用位于加热单元后面的光测高温计54(图1)而变得容易。光测高温计54提供一恒定的输出讯号到数字温度控制器56，通过控制功率源60的输出功率，就能把温度保持在一个设置值上。根据本领域中熟知的原理，通过最好用石墨制成的热屏蔽62，把由加热单元52放出的热量，与炉膛的不锈钢壁隔离。在原材料处的温度应保持在约2025℃到约2492℃的范围内。
不论水平板加热单元采取怎样确切的形式，这样的安排使系统沿着大直径生长晶体界面保持高度均匀的热分布，从而允许生长大直径的块状晶体，同时允许用高度H和直径D比值非常小的坩埚，其中H是从籽晶到源(例如图2中源材料53)的距离，而D是在籽晶与源之间的空间中坩埚的直径。如果此直径不是恒定的，那么就用平均直径。如果在籽晶和源之间坩埚没有一圆的或近似圆的截面，那么可以这样来计算等效直径：先确定从籽晶到源坩埚的内部体积(高度为H的体积)，然后计算有相同高度H和相同体积的竖直圆柱体的直径。这直径是一个等效直径，它可以在H∶D中用作直径D。因此如同这里所用的那样，”直径D”或”D”，当和高宽比一同使用时，将指实际的坩埚直径，平均坩埚直径或如前给出的等效坩埚直径。本发明小的高宽比，最好比值小于6∶1，事实上消除了由于源蒸汽和坩埚壁之间粘滞相互作用而引起的令人恼火的质量输运问题，另外还可以改进在生长晶体界面上蒸汽化学计量，这里将更详细讨论。更具体的讲，依照图2中所述形式的某一结构，从源材料53到生长晶体界面的高度(H)约为7.5cm，而坩埚的直径(D)约为20cm，因而得到H∶D高宽比约为0.375∶1。这样的几何关系，联同在原材料和籽晶之间典型的温差约为82℃，就导致一个约11℃/cm的相当徒的热梯度。这个结构提供了许多优点，包括高的生长速率和生长大直径，高纯度晶体的能力，这在后面还要讨论。
应当意识到，虽然本发明的长宽比可以在小于约6∶1的广阔的范围内取值，但较低的高宽比是更可取的，例如长宽比约为1∶3或更低。
调整，支撑和从籽晶72转移出热量的机构包括一热漏67，它包含一管68，管的底部有一唇状结构70以容纳籽晶72。热漏67还包含一根热漏棒76，它穿进管68并在籽晶上方拧紧以牢固地压着籽晶。管68和棒76最好用有非常高热导率的高密度石墨制成。
参照图3，图中给出了籽晶冷却系统进一步的细节。其中杆76连接到一水冷不锈钢管79。通过不锈钢管79和杆76的水流调整到能保持合适的籽晶温度，该温度可由光测高温计80读出。最好这个系统能通过把光测光温计80的讯号输入到与阀门84电气相连的电子学控制器82上，从而自动控制流向热漏的水流。此控制器82接受从计算机85发出的命令。在该计算机的ROM或其他合适的记忆部件中存有一张查价表。该查价表是根据经验数据建立的，它表示在整个晶体生长周期中当生长晶体逐渐接近原材料时，为了在晶体界面上保持恒定的温度，光测高温计80读数的那点的温度必须下降的程度。因而在晶体生长周期中热漏的热转移速率是逐渐增加的，这是为了在生长晶体界面上保持恒定温度所必需的。在生长晶体界面上的温度必须保持在约1900℃到2488℃的范围内。
参照图1，系统10提供一个在晶体生长过程中，使籽晶绕着垂直轴转动的机构95(示意)，以抑制在加热单元中热不连续性的效应，从而在生长晶体界面提供一均匀的热分布。与此相关，图1和2中中央分总成单元20的结构允许固定在热漏67上的坩埚90吊在炉膛30中，以使坩埚的底部位于平板加热单元52上方一个选定的距离上，在某一个实施方案中，这距离约为2mm。为此目的，热漏是由炉膛30在98的顶部所支撑并由机构95，最好一个步进电机，使它可以转动。因而坩埚90的底部在加热单元52上方转动，从而从加热单元到坩埚热转移中的热不连续性就被抑制了。
现在将叙述在生长晶体界面上维持排气的系统。根据图1和2中给出的实施方案，排气系统100包含一圆柱形排气挡板104，它直接位于籽晶72的下方，它在从原材料发出的蒸汽运动到温度较低的籽晶生长表面的途中。如前所述，排气系统的首要目的是从生长晶体界面扫除杂质原子/分子和非化学计量蒸汽成份。为此目的，排气挡板105包含一系列的排气口106，通过这些口，保持一恒定的气流以从晶体生长界面带走气体。开口106可以采取在挡板104圆柱形壁上众多对称排列的孔的形式，例如，多个由垂直排列的孔构成的线，这些线在挡板104上有选定的圆周间距。在这方面，用二根由孔构成的垂直线，这二根线在圆柱形挡板上相间180°，是一个可取的实施方案。两根孔线110A和110B在图2中给出。画出的排气系统100还包含一个主排气泄口112，它在坩埚90的顶部，泄口112通过一锥形环状小室114与挡板104上的排气孔气流相通，以去除界面上的气体。虽然主排气泄口可以用任意合适的形式，它必须相对于晶体对称配置，它可以由，例如，在坩埚顶部的许多对称排列的垂直开口组成。在图2中给出其中两个。最好把在110A-D的排气孔线，锥形环状小室114和主排气泄口112配置成这样：在整个晶体生长过程中，能允许一个恒定的可控制的排气速率。
在图2中所示排气系统100的一个优选实施方案中，在110A和110B上垂直排列的孔的大小是有所变化的，从籽晶到排气挡板104的底部，孔的直径顺序变小。这样，当晶体生长时，生长晶体的界面逐渐移向源，较大的孔顺序地被已生长的晶体复盖，因而通过剩余孔气体速度增加。因而根据已知的流体动力学原理，选择合适的孔的位置和大小和合适的室114的尺寸，在整个晶体生长周期中，就可以使排气流速率基本保持恒定，同时使排气气体向上流动并在通过在110A和110B上的孔和主排气泄口之前到达并越过生长晶体界面。
可以理解到，在图1和2中所示的排气系统100精确的几何，包括该处流体流动路径的尺寸。可以通过考虑若干因素最佳地确定，首先是生长系统的尺寸和总蒸汽流量，在坩埚内部和外部的压力，助排气体的每秒流量以及系统温度。在像系统100那样没有助排气体的排气系统的操作中，大于总蒸汽流量2％的排气流量是合适的，典型的在约2％到约80％的范围内，更具体讲，排气率为总蒸汽流量的约20％到约50％是视为更合宜，而在约30％到35％的范围内是优选的。
虽然图中没有画出，在如图中所示的系统100这样的系统或其他这样的系统中，保持恒定排气的一个可取的方法是把主排气泄口与位于小室外面的一很高准确度的低压绝对电容压力计相联，而压力计又联至一电子学控制器，以及相应的控制阀和真空泵，以在必要时抽取气体来保持在压力计上事先确定的恒定的压力读数。以用样的装置，可以用测量一固定孔二侧压差的高准确度的差分电容压力计或其他合适的技术来代替绝对压力计。同样，可以用热质量流控制器作为保持恒定排气的手段。
在图.4中给出了另一个实施方案，在其中排气系统200包含一个主排气泄口208，它位于籽晶圆周的外面，在和籽晶大体相同的高度或大于籽晶的高度，因而源蒸汽必须到达，经过并离开生长晶体界面，才到达排气泄口。图中，排气泄口208高于籽晶。为了得到合适的排气，排气系统200包含一个水平的排气挡板210，其上有一个大的开口212，这开口的中心直接在籽晶的前面。源蒸汽或任何助排气体在到达籽晶前必须先通过此开口212。作为排气挡板上有一个中央开口的替代方法，该挡板可以有一系列对称布置的小的开口。其中心直接在籽晶前方，或者挡板可以用多孔石墨或其他合适的多孔材料制成，其中心直接在籽晶前方。
在图5中所示的另一个实施方案中，排气系统300含有一个圆柱形的插入管302，其上有对称布置排气泄口的垂直列，槽或垂直狭缝。此圆柱形插入管可以用一上升下降机构(只示意给出)向上拖动并经过一在坩埚壁上的主排气泄口308，以使恰在晶体生长界面的下方，始终有一个杂质原子的排气孔。
现参照图6所示分总成单元120，其中给出另一个中央分总成单元的实施方案，它与图2中分总成单元20有某些结构和功能上的差别。在这方面，图6画出了另一个排气系统400，它与一个提拉机构一起使用，在晶体生长时，该提拉机构不断提升晶体，从而在整个晶体生长周期中使生长晶体界面保持在同一相对位置。根据图6的实施方案，坩埚490被外套492固定地支持在生长室中，而热漏和籽晶是与坩埚分离的，这样它们可以以等于晶体生长速率的速率向上提升(箭头P)。籽晶的提升可以通过与步进电机相联的闭环控制系统来完成。作为其替代方法，可以籍助观察到的历史上的生长讯息，计算或估算生长速率，并使提拉机构编排得与计算得到的或观察到的速率匹配。当晶体被提拉时，控制晶体生长界面上温度的系统可以采取图3中给出的控制形式，但可以不用计算机。因为在整个生长周期中，光测高温计80始终指向相对于晶体生长界面的同一位置，所测出的温度始终直接反映晶体界面的温度而不需要用一台计算机以及查价表以对由于晶体生长而引起界面移动作出修正。
排气系统400包含一个圆柱形的排气挡板404，在挡板边墙对称布局的位置上有排气口406，这些口环绕着并恰在生长晶体界面的下方。开口406通过锥形小室414与在坩埚顶墙上的主泄口412相通。因为提拉机构使生长晶体界面在整个生长周期中处于同一位置，界面相对于排气系统没有移动，因而提供了可靠的流动特性，有利于形成恒定的排气速率。
应当理解到，也可以采用其他的排气系统几何，只要明白本排气系统的首要目的在于在晶体生长界面上提供排气以扫除杂质原子/分子以及多余的化学成分。
图6中的分总成单元120还包含了一对气体注入器122，124，它们被提供用于(i)提供助排气体，或(ii)提供一种源气体，或(iii)提供一种气体，它起了双重目的，一方面它补充了从另一种源(例如固态源53)提供的源成分，一方面帮助了排气。
当用分总成单元120的气体注入器122，124来注入助排气体(例如，氮或氩)时，其流率最好保持在一个连续的足以帮助移去晶体生长界面上的杂质原子/分子和多余化学成分的水平上。
当用分总成单元120的气体注入器122，124来提供源蒸汽时，生长系统可以在没有生长化学变化下运转长得多的时间，而选用晶态固体升华时，却要发生这种变化。另外，利用气体注入系统以提供源材料连续流的方法还提供了一种灵活性，它可以通过以不同比例或不同形式，例如N2或N离子，提供源物质来优化生长速率，由于N2原子键很强，向源蒸汽加入氮离子或激发的N2将极在加大AlN单晶生长速率。在这方面，AlN单晶生长涉及重要的速率限制反应1/2N2(g)→1/2N2(ads)→N(ads).在生长坩埚中原子氮，氮离子或激发N2有助于克服生长速率上这种限制。在注入生长坩埚之前或之后，用激光器或其他系统来产生原子氮，离子氮或激发氮分子以促使这些成分的加入。
可以用助排气体，例如氮或氩来提高排气率。在这方面，助排气体可以直接在晶体生长界面下方注入或在生长晶体界面上注入，从而提高越过生长晶体界面和通过排气挡板的气流率。助排气体也可以直接注入到排气挡板孔和主排气泄口之间的区域以增加通过排气挡板的排气率。在气助排气操作中，在生长晶体界面上的排气率应当在总蒸汽流率的约12％到约99.9％的范围内。在这里，”总蒸汽流率”是用来指总气体流，包括(i)由升华提供的源蒸汽流，源气体注入，液态Al的汽化或其他以及(ii)助排气体流。
排气系统可以以这样的方式来操作，在这方式中，在生长室中的气体压力，在生长过程中不断减小以便在晶体沿排气挡板向下生长时，保持一恒定排气速率。在这方面，主排气孔(一个或多个)可以就在籽晶边上，在晶体生长时用如图1中所示的压力控制，使生长室内气体压力逐渐减小，以使该处的排气保持在一个恒定的速率。
现参照图7，该图给出又一个中央分总成单元220，它含有一圆柱形的电阻加热单元252，它包围在一水冷的炉膛以内(图中未画出)。加热单元252用来加热位于坩埚290内的籽晶，该坩埚类似于前面所描述的坩埚，不过由于垂直圆柱形加热单元的热转移的能力，坩埚290的高度比以前所述的坩埚要大许多。
图8A画出一个分总成单元320，它的一般形状与结构与图7的分总成单元类似，其不同之处是用一气体注入器350向坩埚注入作为助排气体的氩或氮。注入气体由排气挡板352引导到圆柱形屋354内，该屋提供一引向籽晶的气流通道，众多的排气孔位于屋354的顶部以扫除杂质，其气流速率等于注入气体输入速率。
虽然没有在图中画出，可以理解，可以用一联合加热装置来向生长系统提供热量，即既包括如图2中加热器52这样的水平平板加热器，又包括如图7和8A中加热器252那样的圆柱形加热器，在这样的结构中，给系统的主要的热量以及在坩埚中均匀的(水平方向)热分布的建立是由加热器52来完成的，而垂直圆柱形加热器252是用来提供一热源以调整在垂直站立的坩埚壁上的边缘效应。作为对这个组合加热系统的进一步改进，垂直圆柱形加热器也可以用环绕在坩埚外面众多叠层加热环(没有画出)来代替。这些环在电学上和物理上都互相隔开并能单独控制以使沿着坩埚垂直轴上的热梯度能按要求改变。
图8B1画出一蒸汽源装置800，它用来建立铝和N2源蒸汽的恒定流动。在这个系统中，由加热液态Al到一给定的温度所产生的Al蒸汽在生长坩埚中与N2会合以产生源蒸汽所需的气流和化学成分。因而，通过控制Al液体的温度以控制其蒸汽压，同时用热质量流控制器来控制注入N2气体，这个系统提供排气速率和蒸汽化学成分的极佳控制。更具体的讲，蒸汽源装置800包含了一石墨坩埚990，它有如图8B1所示的形状，有一圆柱形电阻加热单元952，一热漏967，它握着籽晶72以及一与图4中类似的排气系统。液态Al放在较低的坩埚975中，它用一BN绝缘环或一物理隙缝或其他合适的方法在977处与其他部分电学绝缘。坩埚975可以是一个冷的坩埚，例如，一个水冷的铜坩埚，而其中的内容用一水冷的感应加热线圈980来加热，如图8B1所示。坩埚975也可以用高密度石墨，高温分解石墨，涂以碳化硅的石墨或氮化硼制成。这些坩埚可以用电阻加热，也可以用感应加热，视何者更合适。Al蒸气从液态Al进入坩埚990，而N2气体通过注入器993注入。液态Al维持在一定的温度上使之足以在坩埚内所保持的条件下，特别是坩埚压力的条件下，建立一合适的蒸汽流.通常液态Al的温度保持在约1000℃和2400℃之间，以便在系统条件下，建立一合适的蒸汽流速率，而以小于约2200℃的温度更好。在坩埚内的温度保持在高于液态Al的一个温度上。在坩埚区域内的Al和N2蒸汽变成饱和并凝结在较冷的籽晶生长界面。虽然没有画出，在绝缘环977上方横穿坩埚990，可以有一水平挡板，其上有一中央开口，以在板的二侧建立一压力梯度，并增加Al蒸汽向坩埚990运动的速率，从而减少N2向液态Al的倒扩散。
应当理解到图.8B1的系统允许用非常纯的源蒸汽以及它能仔细的控制化学成分。这些因素，连同籽晶被安排在靠近熔融Al的优选位置，使得象图.8B1所示系统的操作几乎没有或根本没有排气成为可能，虽然这样，人们认识到优选地要排气。
图9A画出了在圆柱形加热单元252和热漏之间非均匀的热分布，而图9B画出了在较早描述过的实施方案中水平加热单元52和热漏之间均匀的热分布。
图10画出了一晶体生长系统的一些部分，该生长系统有一非常小的高直径比以及其他一些专门设计来生长大直径AlN晶体的特征。原材料53是一固态物质，它与籽晶672间隔非常近以产生小于约2.5∶1的H∶D比，典型地小于1∶3，而更优选的约为1∶8。其排气系统与在图4中所示的排气系统是类似的，这在前面已有所叙述。为了促成大直径晶体的生长，籽晶装在热漏667上，使得一部分籽晶延伸到热漏下部抛光平面的下方。为此目的，籽晶被切割成具有一向外突出的圆周边缘610(图11A)，它搁在热漏底部开口618边缘形成的圆周肩614上，这种安置允许籽晶的下部从热漏突出从而不仅暴露了籽晶生长表面620，还暴露了籽晶的圆周形外墙部分622。籽晶直接沿着向外的方向从墙部分622生长(也即在水平面内)，这就有利于大直径晶体的生长，尤其在这样的情况下，即所优选的主生长方向(也即垂直方向)偏离了籽晶的基平面。该籽晶取向导致在水平方向上更快的生长速率。
根据本发明，可以用图10中的低高宽比系统和非常纯的源材料53来生长AlN块状单晶而不必用排气。在这情况下，以固态或液态形式的源材料的多余Al的成分最好要小于0.08％，非掺杂/非合金电性活拨的杂质成分最好要小于0.05％，氧的重量成分要小于400ppm。H∶D高宽比小于约2.5∶1，典型地小于1∶3，最优选的小于1∶8。
根据本发明，用1∶3以下，最好1∶8以下小的H∶D高宽比，用一个直接放在坩埚平底下方水平安置的平板加热器，图10的系统也可以用很少或不用排气来生长块状AlN单晶。
图11B-D是图10的籽晶和热漏的放大图，它分别显示在生长周期t＝2小时，t＝8小时，t＝12小时逐渐推进的晶体生长界面630B，630C，630D。对于一个有代表性的例子，籽晶的暴露直径是25mm，而热漏的直径是112.5mm，在12小时生长周期结束时，长得的晶体的直径为100mm而高度为20mm。
应当理解到，源材料的合适的选择和源材料的形式(也即，固态，气态或其复合)以及有意引入的掺杂材料都可以用来具体地调整晶体生长系统的操作以生产出所需的晶体结构和组成，以下是例子：
(1)用固态没有掺杂的AlN作为源材料以有意生长本征AlN
(2)用固态有意掺以一定量杂质的AlN作为源材料以有意生长补偿的AlN或掺杂的AlN，该杂质没有电学活性或光学活性，以有意增加单晶AlN的硬度和/或折射率。
(3)用由掺杂或没有掺杂的固态AlN和注入源气体(一种或多种)联用组成的复合源。
(4)用原子氮，N2，氮离子，Al(CH3)3，NH3，AlCl3，Al蒸汽或其他气源，它们可以单独使用，也可以和(3)中所述的材料联合使用。
(5)用原子氮，N2，氮离子，Al(CH3)3，NH3，AlCl3，Al蒸汽或其他气体，它们可以单独地也可以联合使用作为源材料。
(6)用微波，激光或其他系统来产生原子氮，氮离子或激发氮，这可以在注入到坩埚前也可以在注入到坩埚后进行。
应当理解到，在其上生长氮化铝块状单晶的籽晶可以是一氮化铝籽晶，或一碳化硅籽晶，或一用其他合适的材料，例如，单晶钨，单晶Al2O3(在2040℃以下)和包含AlN的合金或其他化合物。
例1
块状AlN单晶是用AlN源晶体生长的，该源晶体在1950℃温度下升华10小时，以使多余铝浓度减少到小于0.05％。接着在纯化N2气氛下在手套工作箱中向图1和2的高温分介石墨坩埚中装入720克的AlN源晶体。一块2.25英寸直径0.8mm厚的单晶，在轴6H SiC籽晶(基平面取向)安装在高密度石墨热漏管68的底部，并用通过热漏棒76所施加的压力使籽晶牢固地呆在所在位置。
排气系统单元放在坩埚内的合适位置。与坩埚顶部联接的热漏旋入到位。接着把整个装置装入晶体生长炉膛。在密封该生长炉膛后，用机械真空泵在20分内使系统压力线性地降到10-3torr，再用涡轮分子泵在30分钟内把炉膛的压力减小到10-5torr。然后再在生长炉膛内充以高纯N2达到760torr的压力。再把坩埚加热到300℃的温度。接着把生长炉膛在抽到10-3torr。然后整个系统再充以高纯N2到1000torr的压力。
在用光测高温计测量到的坩埚底部温度在2小时15分钟中从300℃线性增加到2365℃时，压力始终保持恒定在1000torr，这是由通过磁控阀门的节流气体来实现的。
接着在30分内把系统的压力线性地减少到2torr。通过调节流向热漏的水流，使光测高温计测到的籽晶温度保持在2260℃上。
接着系统在此条件下保持14小时，而排气率Ne＝28％Nt.接着在1小时30分内把坩埚温度从2365℃线性地下降到1200℃。然后再在一个小时以内对系统充以氮气，使压力线性变化到760torr，与此同时把给加热单元的功率线性地降为零。两个小时以后，把坩埚从晶体生长炉膛中取出。这样得到的AlN晶体有两英寸直径，16-20mm厚。
例2
块状AlN单晶是用AlN源晶体生长的，该源晶体在1950℃温度下升华10小时，以使多余的铝浓度减小到小于0.05％。接着在高纯N2气氛下，在手套工作箱中，往图6的高密度碳浸渍石墨坩埚490中装入720克AlN源晶体。一块2.25英寸直径0.8mm厚的单晶在轴6H Sic籽晶(基平面取向)安装在高密度石墨热漏管68的底部并用通过热漏棒所施加的压力使籽晶牢固地呆在所在位置。
排气系统单元放在坩埚内的合适位置，高密度石墨外套筒旋入到位。接着把整个装置装入晶体生长炉膛，把石墨气体注入器旋入坩埚。在密封该生长炉膛后，用机械真空泵在20分钟内使系统压力线性地降到10-3torr。再用涡轮分子泵在30分钟内把炉膛的压力减小到10-5torr。然后再在生长炉膛内充高纯N2达到760torr的压力。再把坩埚加热到300℃的温度。接着再把生长炉膛抽到10-3torr的压力。然后整个系统再充高纯N2到1000torr的压力。
在用光测高温计测到的坩埚底部温度在2小时15分钟时间内，从300℃线性增加到2365℃时，压力始终保持在1000Torr，这是由通过磁控阀门的节流气体来实现的。
接着在30分钟内把系统的压力线性地减小到2torr。通过调节流向热漏的水流，使光测高温计测到的籽晶温度保持在2260℃上。
接着通过一个MKS Instruments质量流控制器，使N2以每分钟1.2标准立方厘米的总流量，流进气体注入器122和124。
最后，垂直升/降机构设置成以每小时2mm的速率来提拉籽晶。
系统在此条件下保持24小时，而排气率Ne＝64％Nt。接着在1小时30分钟内把坩埚温度从2365℃线性地下降到1200℃。然后再在一小时内对系统充以氮气，使压力线性变化到760torr，与此同时把给加热单元的功率线性地降为零。两个小时以后，把坩埚从晶体生长炉膛中取出。这样得到的AlN晶体有两英寸直径44-48mm厚。
(2)用在生长晶体界面上凝结Al，Si，N，C等源蒸汽成分以制造块状氮化铝∶碳化硅合金单晶。
上面叙述的制造氮化铝块状单晶的方法可以加以修改使得在生长晶体界面上有硅和碳这两种源蒸汽的合适的百分数，从而在晶体的晶格结构中的许多位置，SiC取代了AlN。一种用此方法制造AlN∶SiC块状合金单晶的方式是用图1和2中的系统，在固态源材料53中加入一些固体，从而除了Al和N源蒸汽成分以外，还将向坩埚优选地升华Si和C源蒸汽.本方法将在下面例3中陈述。
例3
块状AlN0.7∶SiC0.3单晶是用纯多晶AlN∶SiC源晶体生长的，该多晶有约70原子百分数的AlN和30原子百分数的SiC。在纯化N2气氛下在手套工作箱中向图1和2的高温分介石墨生长坩埚90中装入720克的AlN∶SiC源晶体。一块2.25英寸直径，0.8mm厚的单晶，在轴6H SiC籽晶(基平面取向)安装在高密度石墨热漏管的底部，用通过热漏棒76所施加的压力使籽晶牢固地呆在所在位置。
排气系统单元放在坩埚内的合适位置。与坩埚顶部联接的热漏旋入到位。接着把整个装置装入晶体生长炉膛。在密封该生长炉膛后，用机械真空泵在20分内使系统压力线性地降到10-3torr，再用涡轮分子泵在30分钟内把炉膛的压力减小到10-5torr。然后再在生长炉膛内充以高纯N2达到760torr的压力。再把坩埚加热到300℃的温度。接着把生长炉膛在抽到10-3torr。然后整个系统再充以高纯N2到1000torr的压力。
在用光测高温计测量到的坩埚底部的温度在2小时15分钟中从300℃线性增加到2335℃时，压力始终保持恒定在1000torr，这是由通过磁控阀门的节流气体来实现的。
接着在30分内把系统的压力线性地减少到7torr。通过调节流向热漏的水流，使由光测高温计测到的籽晶温度保持在2215℃上。
接着系统在此条件下保持14小时，而排气率Ne＝28％Nt，接着在1小时30分内把坩埚温度从2335℃线性地下降到1200℃。然后再在一个小时以内对系统充以氮气，使压力线性变化到760torr，与此同时把给加热单元的功率线性地降为零。两个小时以后，把坩埚从晶体生长炉膛中取出。这样得到的AlN∶SiC合金晶体有两英寸直径，18-22mm厚。
另一种生产单晶AlN∶SiC合金的具有代表性的方法是这样来实现的，它基本上利用如图1和2中所示的系统，不过用图6中所示的生长晶体490，这将在例4中加以叙述。
例4
块状AlN0.7∶SiC0.3单晶是用纯多晶AlN∶SiC源晶体生长的，该多晶有约70原子百分数的AlN和30原子百分数的SiC。在纯N2气氛下在手套工具箱内往图6的高密度碳浸渍石墨生长坩埚490中装入720克的AlN∶SiC源晶体。一块2.25英寸直径，0.8mm厚的单晶，在轴6H SiC籽晶(基平面取向)安装在高密度石墨热漏管68的底部，用通过热漏棒所施加的压力使籽晶牢固地呆在所在位置。
排气系统单元放在坩埚内的合适位置，高密度石墨外套筒旋入到位。接着把整个装置装入晶体生长炉膛，把石墨气体注入器旋入坩埚。在密封该生长炉膛后，用机械真空泵在20分钟内使系统压力线性地降到10-3torr。再用涡轮分子泵在30分钟内把炉膛的压力减小到10-5torr。然后再在生长炉膛内充以高纯N2，达到760torr的压力。再把坩埚加热到300℃的温度。接着把生长炉膛再抽到10-3torr的压力。然后整个系统再充以高纯N2到1000torr的压力。
在用光测高温计测到的坩埚底部温度在2小时15分钟时间内，从300℃线性增加到2335℃时，压力始终保持在1000Torr，这是由通过磁控阀门的节流气体来实现的。
接着在30分钟内把系统的压力线性地减小到7torr。通过调节流向热漏的水流，使光测高温计测到的籽晶温度保持在2215℃上。
接着通过一个MKS Instruments质量流控制器，95％N2，5％CN的气流以每分钟1.2标准立方厘米的总流量，流进气体注入器122和124。
最后，垂直升/降机构设置成以每小时2.1mm的速率来提拉籽晶。
系统在此条件下保持24小时，而排气率Ne＝64％Nt。接着在1小时30分钟内把坩埚温度从2335℃线性地下降到1200℃。然后再在一小时内对系统充以氮气，使压力线性变化到760torr，与此同时把给加热单元的功率线性地降为零。两个小时以后，把坩埚从晶体生长炉膛中取出。这样得到的AlN∶SiC合金晶体有两英寸直径46-50mm厚。
参照图8B2，8C和8D，块状AlN∶SiC单晶合金可以通过汽化Al-Si液体或Al和Si各自的液体以得到生长坩埚中Al和Si源蒸汽，而C和N蒸汽成份是由向生长坩埚中注入含C和N的气体来提供的。
图8B2画出了一晶体生长系统，这个系统包含一蒸汽源装置800，用它来建立Al，Si，N，C源蒸汽的恒定流动。在这个系统中，通过把液态Al-Si加热到某一温度产生的Al+Si蒸汽，在生长坩埚中与C和N蒸汽会合以产生所需流量和化学成分的源蒸汽。在生长坩埚内部，在靠近籽晶或生长晶体界面的区域，Al，Si，C，N等分量都处于饱和，它们在晶体界面上产生反应以形成AlN∶Sic单晶合金，更具体的讲，蒸汽原装置含有一个石墨坩埚990，它有如图8B2所示的形状，一个圆柱形的电阻加热单元952，一个热漏967，它握住籽晶72，以及一个与图4中所示的排气系统相似的排气系统。液态Al-Si是放在下方的坩埚975中，该坩埚在977处，用一个BN绝缘环，或一个物理间隙或其他适当的方法与其他部分电学隔离。坩埚975可以是一个冷的坩埚，例如，是一个水冷的铜坩埚，其中的内容用水冷感应加热线圈来加热，如图8B2所示。坩埚975也可以用高密度的石墨，热分解石墨，表面包有碳化硅的石墨或氮化硼制得。该坩埚可以用电阻加热，也可以用感应加热，视何者合适。C和N蒸汽是由通过气体注入器993含C，N的源产生的。在某一个实施方案中，含C，N的源蒸汽是CN，它在象N2这样适当的运载气体中输送。含C和N的源气体的流动是通过适当的装置来完成的，例如，在CN的情况下，用一个热质量控制器控制高温下(例如大于850℃)流过仲氰的N2的流量，这样在N2中就可以获得所需的CN的流量。液态Al-Si保持在某个温度，它足以在坩埚所保持的条件下，特别是坩埚的压力条件下，建立一个适当的蒸汽流。例如，对30％AlN，70％SiC(原子百分数)组成，总的Al和Si的蒸汽压在1727℃时约为5.46torr。为了建立一适宜的蒸汽流率，大于约700℃的温度是优选的。
图8C画出另一个晶体生长系统，它含有一蒸汽源装置800’，它类似于图8B2的装置800，不过有不同的几何，另外在Al-Si融化液体上方还加入一水平挡板995，以有利于引导Al和Si源蒸汽进入生长坩埚990含有生长晶体界面的区域。更具体地讲水平挡板995包含一中央开口996，横向延伸在气流通道上，通过该挡板，Al和Si源蒸汽流在二侧会建立一压力梯度以及使向坩埚996内运动的Al和Si蒸汽速度加快。这样安排起着减少CN或其他含C和N的气体向液态Al-Si的反向扩散的作用，同时又起着驱使Al和Si源蒸汽向生长晶体界面运动的作用。这一点在晶体生长温度大于气化Al和Si所需温度时是特别重要的。装置800’还包含一个低分布坩埚结构，在某些操作条件下它有利于蒸汽在生长晶体界面上的沉积。
图8D画出了一晶体生长装置1800，它与图8B2或8C中所示的类似，不过有分开的Al和Si源蒸汽的熔化液态源。更具体的讲，装置1800含有第一个坩埚1810，它装有某个温度下的液态Al，该温度由水冷的感应加热线圈1815来控制，以及第二个坩埚1820，其中装有某个温度下的液态Si，该温度由加热线圈1825控制。一个热和电绝缘器1830把坩埚1810和1820分开。坩埚1810和1820通过对应的Al/Si蒸汽流通道1840，1842向生长坩埚990输送蒸汽，在1840及1842中最好还包含有中央开口的挡板1850，1852，以建立一个压力梯度并有利于蒸汽流动，其方式在前面结合图8C的实施方案已有所叙述。为用独立的坩埚产生Al和Si蒸汽是有利的，因为Al的蒸汽压比硅的蒸汽压要大许多。因此当在同一坩埚中或者液态形式的Al和Si时，如在图8B2和8C中那样，必须控制Al-Si液体中的百分组成，以便在坩埚中通常的温度和压力条件下，可以产生Al和Si蒸汽的合适比例。换言之，Al-Si的复合熔液一般需要高(原子重量)百分比的Si以得到在生长坩埚内所需的Al和Si的组成。而图8D中分开的坩埚允许独立的温度控制以得到对Al和Si气化率的更好的控制。
应当理解到，图8B2，8C，8D，的系统允许用非常纯的源蒸汽以及它具有仔细控制化学成分的能力。这些因素，联同籽晶靠近融化Al和Si的优选位置，使得系统在很少或没有排气的情况下操作成为可能，虽然如此，人们认识到更优选地有排气。
还应当理解到，对于图8B2，8C和8D这样的系统，在某些压力和温度条件下，Si或Al，不论是一起盛放或分开盛放，也可以不从液态气化而从固态形式气化。
在这里有时把块状AlN单晶或AlN∶SiC合金单晶的的生长描述为由通常称之为”升华”技术来完成的，在其中，至少有一部分源蒸汽是由于晶状固体AlN，SiC或其他包含AlN，Al，N，SiC，Si，C等的固体或液体优选地升华并在之后重新凝聚在生长晶体界面。在其他情况下，源蒸汽，尤其是Al和Si，是通过Al和Si液体的气化产生的。另外，根据本发明，源蒸汽可以全部或部分由源气体的注入或类似技术来得到。在描述根据本发明来生长块状AlN∶SiC合金单晶的这些技术或其他技术时，有时用”沉积”，”沉积蒸汽成分”或其他词语。
虽然本发明的方法和装置可以用来制造不同晶格结构的AlN∶SiC合金单晶，应当理解到，在这里所给出的生长条件下，优选的晶格结构是”2H”，其中AlN和SiC在晶格结构中互相替代以引成单晶。在这方面，”单晶”这个词在此处用来指单晶和某种固体熔液，它具有足以提供各向同性电学和/或光学性质的长程有序。
(3)通过从融化的铝中提拉单晶以生长块状氮化铝单晶。
块状氮化铝单晶也可以用在通以含氮气泡的熔化铝中提拉晶体来得到。下面将参照图12来描述这样一个系统。系统10M包含一氮化硼(BN)气体注入器400M，它就用来促使N2气体进入含有液态Al 12M的石墨坩埚110M的底部，从而使N2气体形成AlN并沉积在籽晶130M上，而该籽晶保持在液态Al的温度以下。坩埚包含在炉膛260M内并由圆柱形电阻加热单元240M加热。系统用了本领域熟知的热屏蔽250M。
在本发明的另一个实施方案中(分总成单元2)，如图13所示，坩埚用感应加热线圈140M来加热。
在本发明的其他实施方案中，坩埚可以用不止一个电阻加热单元以使通过装有液态Al的坩埚有一垂直的热梯度。多个加热单元可以采取圆柱形环的形式，坩埚底部的平板与坩埚周围圆柱形加热单元联用的形式，在坩埚上方与下方都放置平板的形式以及能控制坩埚中热分布的任何其他组合。
坩埚可以用石墨，高密度石墨，热分解石墨，有涂以碳化硅的石墨，Al2O3，氧化锆，BN或其他适应材料制成。另外，当用感应加热时，可以用水冷的用铜制成的冷坩埚。
可以通过控制通向热漏210M(在图13中最清楚的显示)的冷却水流来控制籽晶温度，因为籽晶130M与热漏210M有密切的热转移关系。温度控制环路包含一个光测高温计230M，它与温度控制器200M相连，而温度控制器又连至冷却水控制阀门220M。
气体注入器400M可以用BN，高密度石墨或其他适宜材料制成。气体最好注入到在生长晶体界面450M正下方的液态Al中。位于气体注入器400端部的气体扩散器420M包含众多的孔，用以保证在液态Al中不会形成大的没有反应的N2气泡。
籽晶是从单晶SiC，Al2O3，W或AlN制得的。
观察口300M提供了视觉观察和系统控制的手段。
在接着的例5和6中，将叙述系统10M的其他单元及其功能。
例5
气体注入器400M插入进坩埚110M中。850克纯度大于99.999％的Al材料被装进坩埚110M。坩埚放进炉膛260M中并旋入石墨坩埚支撑杆360M。接着密封炉膛，并以机械泵在10分钟内把炉膛的压力线性的减少到10-3torr。用磁控制阀340来控制直至10torr的压力。用一3英寸直径的节流阀310M来控制10torr以下的压力。接着用涡流分子泵320M来把炉膛抽到10-5torr。随后再用控制阀305M回充高纯N2达到3000torr的压力。用压力控制器350M来使炉膛在生长过程中保持在3000torr的压力上。
用温度控制器280M使坩埚的温度在1小时内线性增加到1470℃。接着用垂直提拉/旋转机构205M把0.5英寸直径的籽晶130M降到进入液态Al，旋转速率设置为1.5rpm。用热质量流控制器206M把进入注入器400M的N2气流设置在每分钟3.5标准立方厘米上。用与光测高温计290M和对加热器240M提供功率的270M相联的温度控制器把籽晶温度设置在1425℃上。接着把籽晶往上提升以在籽晶液体界面上得到一个2-3mm高的弯月形液面。之后垂直提拉机构以每小时0.5mm的速率来提升籽晶。这提拉速率需每4分钟调整一次，以使保持弯月形液面的高度为2-3mm。当晶体的直径达到2英寸，提拉速率可以增加到每小时0.8mm，它仍要每4分钟调整一次以保持3-5mm高的弯月形液面并保持晶体直径为2英寸。在这样的配置下提拉晶体16小时。
接着把晶体从Al熔液上拉出离Al约0.5cm处并在一小时以内把给加热单元的功率线性地减少到零。让系统再冷却2小时并通过控制阀门340M使N2的压力减小到760torr。
这样得到的AlN单晶是11-15mm高，2英寸直径。
例6
气体注入器400M插进坩埚110M中。1400克纯度大于99.999％的Al材料就装进坩埚110M。坩埚放进炉膛260M中并旋入石墨坩埚支撑杆360M。接着密封炉膛，并以机械泵在10分钟内把炉膛的压力线性的减少到10-3torr。用磁控制阀340M来控制直至10torr的压力，用一3英寸直径的节流阀310M来控制10torr以下的压力。接着用涡流分子泵320M来把炉膛抽到10-5torr。随后再用控制阀300M回充高纯N2达到3000torr的压力。用压力控制器350M来使炉膛在生长过程中保持在3000torr的压力上。
用温度控制器280M使坩埚的温度在1小时内线性增加到1540℃。接着用垂直提拉/旋转机构205M把0.5英寸直径的籽晶降到进入液态Al，旋转速率放置为1.5rpm。用热质量流控制器206M把进入注入器400M的N2气流设置在每分钟6.5标准立方厘米上。用与光测高温计290M和对加热器240M提供功率的270M相联的温度控制器280M把籽晶温度设置在1495℃上。接着把籽晶往上提升以在籽晶液体界面上得到一个2-3mm高的弯月形液面。之后设置垂直提拉机构以每小时0.7mm的速率来提升籽晶。这提拉速率需每4分钟调整一次，以使保持弯月形液面的高度为2-3mm。当晶体的直径达到2英寸，提拉速率可以增加到每小时1.6mm，它仍要每4分钟调整一次以保持3-5mm高的弯月形液面并保持晶体直径为2英寸。在这样的配置下提拉晶体16小时。
接着把晶体从Al熔液上拉出到离Al熔液约0.5cm处并在一小时以内把给加热单元的功率线性地减少到零。让系统再冷却2小时并通过控制阀门340M使N2的压力减小到760torr。
这样得到的AlN单晶是25-30mm高，2英寸直径。
融化技术的一个重要的特点是它特别适合直径大于1英寸长度大于5mm，例如约5-100mm长晶体的生长。如前所述，对于许多应用，这样大的晶体即使不是必须的，也是有利的，。
融化技术的另一个特征是在于，在优选的实施方案中，它用了一个气体反应，这就允许系统设计者使用一宽阔范围的融化温度。在较低温度下，系统设计者在关于不会严重污染熔液的坩埚材料的选择上有更宽的旋转余地，这是因为在较低的温度下坩埚材料较低的溶解率。另一方面，用如上面所述的适宜的坩埚材料，系统可以在更高的熔化温度下操作，例如高达约2200℃，以得到更高的晶体生长速率。
显然，比起在整个升华生长系统中控制温度，控制熔液的温度要相对地容易，从而有助于在晶体生长界面上保持更可靠的恒定生长条件。
熔化技术的另一个特征是它可以用不昂贵的源材料来实现，这些材料可以便宜的价格从市场上购到，又是足够纯的。
显然，图12和13的实施方案以及上面所描述的方法可以各种方式加以改变。例如，可以不把含氮气体注入到熔液中去，而是在熔液表面供给含氮气体，从而在熔液表面形成AlN，并进入熔液，然后再沉积在晶体生长界面。同样，作为另一种替代方法。可以用固态的含氮化合物来向熔液提供氮。图14中给出以固态形式提供氮的一个方式，其中一块AlN 400M放在坩埚410M的底部，这块AlN，例如是用AlN粉末在静压下压制而成的。在该块AlN之上，置以熔化的Al，而籽晶在熔液的顶部。其上维持一温度梯度，固态AlN处温度最高，晶体上温度最低。
作为熔化技术的又一个替代的实施方案，可以在不提拉籽晶的条件下淀积单晶。虽然提拉晶体有如本说明书中早已提到的各种优点，但在某些情况下，如果晶体生长表面适当冷却，不用提拉也可以在籽晶上获得适宜的生长。
虽然在例4和例5中，3000torr的压力已披露为在晶体生长操作时适宜的炉膛压力，但也可以用其它压力，只要清楚在上述生长条件下，炉膛中的压力必须比给定生长温度下Al的蒸汽压大许多。在这方面，应该了解到可以用如同称为气体分隔技术那样的技术来减少Al的汽化，从而在给定压力下允许有较高的生长温度。
(4)用优选冷却成核位置低成本，高产出批量过程来生长块状氮化铝单晶和氮化铝:碳化硅合金单晶。
参照图15和16，那里给出本发明晶体生长系统10P的一种形式，它专为低缺陷密度，低杂质块状AlN，SiC，AlN∶SiC合金单晶的低成本，高产出而设计的。系统10p包括一晶体生长箱，其形式是一竖直圆柱形升华炉12p，它有一下部区域16p，在这区域中有固体源材料15p，一中央区域18p，其中其中含有选择的气氛，例如N2，升华源蒸汽成分通过中央区域到达成核位置，以及一上部区域20p，在该处当升华源蒸汽成分在优选冷却成核位置上重新凝结时，就发生晶体生长。一水冷不锈钢热漏棒22p用来优选地冷却成核位置，这是通过覆盖在成核位置上方的石墨冷却盘23p来实现的。炉12p由水平加热单元24p和一竖直圆柱形加热单元26P来加热。不锈钢室30p作为系统10p的外部安放结构。室30p是根据本领域熟知的原理加以水冷的(没有给出细节)。
室30p中小于10torr的系统压力是通过与真空泵系统相串联的节流阀34p(例如，-3英寸直径的节流阀，由MKS Istruments，Inc。of Andover，Massachusetts，USA生产)加以控制。根据本领域中熟知的技术，真空泵系统38p由一机械泵40p，它把系统压力降至10-3torr，和一涡轮分子泵42p，它把系统压力抽到10-5torr，组成。从10-3torr到1000torr，系统的压力是用一高准确度温度控制绝对电容压力计，如MKS Instruments，Inc.，model No。390来测量的。水平加热单元24p是作为系统10p的主要热源，而圆柱形加热单元26p提供补充热量，同时它提供一种控制在炉12p的边缘热量损失的方法。
温度控制由于用位于加热单元背后的光测高温计54p(图15)而变得方便。光测高温计54P向数字式温度控制器56p提供一恒定的输入讯号，该控制器通过控制功率源60p的输出来把温度保持在一设定值。根据本领域中熟知的原理，室30p的不锈钢墙最好用石墨制成的热屏蔽62p，来屏蔽从加热单元24p，26p产生的热量。不管水平板加热单元采取怎样确切的形式，这样的布局使系统在一个大的直径上能保持高度均匀的热分布。
炉的下部区域16p在众多的竖直多孔石墨管44p(图16和17)之间的空间中装着源材料15p。在操作时，当固体源材料优选地升华以产生为生长晶体所需的蒸汽成分时，该蒸汽成份通过多孔管壁并由此通过管顶部的开口输送到炉中央区域18p。如前所述，源材料可以采取AlN粉末，SiC粉末，AlN∶SiC合金固态材料(例如静压得到的AlN∶SiC固态块)AlN和SiC的复合粉末，其他含有Al的固体，其他含有Si的固体，或可以升华或汽化以得到所需蒸汽成分的其他材料。管44p是位于炉下方区域16p，以使升华的蒸汽成份在到达其中一个管的多孔壁时，所必须扩散的距离不含超过一预先确定的值，例如3cm。
如后面将更仔细描述的，在源材料(在例如2400℃温度上)和优选冷却成核位置(在例如2200℃上)之间的热梯度，和化学梯度一起驱使蒸汽成份通过管44P和中央区域18p到达成核位置。
成核位置80p是位于圆形石墨盘构件23p的下表面，该构件作为炉上部区域20p的上方面界。盘构件23p与覆盖在它上面的圆形石墨构件88p形成物理上的接触与热转移关系，从而使88p起到优选地冷却成核位置的作用。而构件88p又与作为热漏的不锈钢水冷杆22p螺扣连接。
图18以放大的尺度给出在盘构件23P上4个邻近的成核位置80P，以及覆盖构件88p和热漏杆22p的一部分。在一个实施方案中，盘构件23p是圆形的薄的固态石墨盘，它的厚度约为0.5cm，其直径(例如45.5cm)与圆柱形炉12p的直径大致相同。在盘构件23p上有许多不放籽晶的成核位置80p(例如有254个位置)，它是通过在构件23p的下侧去除圆锥形材料来形成的。在一个优选的实施方案中，每一个锥形成核位置80p可以延伸到在离盘构件23p的上表面约0.05cm以内的顶点A。覆盖圆构件88p有与盘构件23p大体相同的直径，它含有向下突出的栓，每一个成核位置80p上都覆盖一个栓，以对于盘构件23p形成物理和热转移关系。覆盖圆构件88p最好在边缘有刻槽从而可与热漏棒22p螺扣相接。因而，在操作时，栓90p恰在每一成核位置80p的上方，下方压着盘构件23P的上表面，以优选地冷却每一位置。从每一成核位置80P的顶点A到90p相对短的热转移路径(例如，0.05cm)在整个生长过程中显著有助于区域化的冷却，尤其在顶部或顶部附近发生起始成核的开始阶段。在相应构件23p，88p上的锥形成核位置和栓都可以用计算机控制的铣床操作或其他本领域中熟知的操作来形成。显然每一锥形成核位置80p的顶点A被冷却到熔炉坩埚的最低温度，这由于两个相关而又不同的理由。首先该顶点位于对应冷却栓90p的直接邻近下方。其次，在盘构件23p的下方暴露面上，顶点到盘构件23p上方的热移去装置的距离最短。因此即使在每一个成核位置上方没有各自覆盖一个冷却栓(即用均匀的热移去装置覆盖在盘构件23p顶部)，成核位置，具体讲在每个顶点A，将是盘构件23p下侧的最冷的表面，因而将起成核位置的作用。同样，如果盘构件23p没有有利于局部冷却的结构，也即只有平的下表间，但上面有冷却栓，那么在每一个栓的下方的局部区域也将是盘构件23p下侧的最冷的表面，也将能起成核位置的作用，然而，局域化的热移去(例如，栓90p)和有利于局域化冷却的结构(例如，成核位置80p)的联合使用是优选的。
图19A和19B给出一个类似于图18的结构，不过有一盘构件123p，它提供了放籽晶的成核位置180p，取代图18中无籽晶的成核位置。在该图所示的实施方案中，盘构件123p有与盘构件23p相同的直径，因而在用同一覆盖构件88p的情况下，它们之间可以相互交换使用，有相同的热漏棒22p，另外不用改变炉的结构。在盘构件123p上的每一成核位置180p是这样形成的，首先在123p的下表面，如前所述铣掉一锥形区域，接着在锥形区域正上方钻一圆柱形孔150p，孔150p比栓90p要稍大并延伸到这样的深度的足以建立一环状的水平的肩155p(图19B)，而在该处圆锥被截角，肩155p作来支撑圆形籽晶160p，而该籽晶的上表面又被对应的栓90p压着。因而，图19A和19B的这样替代结构用来提供有籽晶的优选冷却成核位置。在某一具体的实施方案中，盘构件123有约45cm的直径，约0.5cm的厚度，而圆柱形钻孔150p直径约为1.0cm。孔150p延伸到穿过盘构件23p约一半的地方。籽晶160p是一0.08cm厚，约1cm直径6H或4H SiC籽晶，在晶轴上切割并使基平面暴露。肩部155p有约0.1cm的宽度，以使籽晶160p有约0.8cm的直径是暴露的。
虽然本发明的系统可以大体上在闭合情况下操作而没有显著的废气，但优选的实施方案包含排气口，从而允许从炉的中央室18p排出气体以去除杂质和剩余化学成份从而在成核位置提供的生长晶体界面上保持适应的源蒸汽组成。为此目的，可以由选定数目(例如8个)的排气口55p(图16)来提供排气，这些排气口对称地布置在炉中央区18p的圆周边缘。作为替代方法，排气口也可以一种对称方式通过圆形盘构件23p，例如，在每一个成核位置，有一个或几个排气口(未图示)。助排气体，例如在高纯N2输入口(图15)进入系统的N2，可以引导到一个热绝缘的助排气体输送管135p，它通过在最中央的多孔石墨管44p向上延伸，如图16及17所示。系统的进一步细节和在一生长晶体界面上有效排除废气的方法包含在本发明申请者的US PatentNo。5,858,086内，其内容全部在此作为参考。
暴露在很高炉温下的部件最好用在加热炉的环境下化学不活泼并且能够忍受高达近2400℃温度的适应材料制成。为此目的，这些部件最好用抛光石墨，抛光碳化硅，抛光钨，或其他合适材料制成，而以抛光石墨为最优选。
根据本领域中熟知的原理用光测高温计79p和与之相联的控制器81P仔细地控制在生长晶体界面上的温度以建立所需的热梯度。
图20A-20D给出在临近4个无籽晶成核单元80p上块状单晶的顺序生长。图20A画出晶体的起始成核C1，它典型的发生在锥形成核位置的顶点或邻近顶点这个最冷的区域上。图20B给出晶体的继续生长C2，这时刚越过锥形开口。图20C给出晶体的继续生长C3，这时已进一步越过锥形结构。图20D给出这样的情况，其中成核位置已充分靠近以致在水平面内临近晶体的生长C4已使它们互相接着。在这方面，在有利的生长条件下较长时间的晶体生长操作，可以生长出大的板状单晶结构。
图21A-21D给出对于有籽晶的成核位置180p的与前类似的顺序晶体生长样式。
如上所述的晶体生长系统的操作将在下例中详细描述。
例7
装有图18的无籽晶优选冷却成核位置的晶体生长系统被建造好并根据如下参数以制造AlN∶SiC合金单晶。
水冷室30p的内直径：122cm
装以源材料的炉坩埚的内直径：46cm
多孔管44p的高度：20.32cm
多孔管的直径：3cm
多孔管的数目：37
源材料：高纯度70％AlN∶30％SiC粉末
管体积：16％
源材料体积：84％
源材料重量：33625gm
成核位置数：254
成核位置结构：无籽晶，优选冷却
源材料底部的温度：2350℃
成核位置温度：2125℃
从源材料底部到成核位置的热梯度9.3℃/cm
源材料到晶体的转化率：22％
晶体形成：7397克(36，987克拉)
在把源材料装入，以对于成核位置的热转移关系，对准并安装好热漏棒22p，构件88p和栓90p之后，用机械泵在20分钟内，线性地把系统泵到10-3torr。再用涡轮分子泵在30分钟内把膛压力减小至10-5torr。生长膛内再回充高纯N2到760torr的压力。接着把炉内坩埚加热到300℃的温度。之后再把中央炉区中的生长膛的压力泵至10-3torr。然后系统再回充高纯N2到1000torr的压力。
在用光测高温计测到的坩埚底部温度在2小时15分钟时间内，从300℃线性增加到2350℃时，压力始终保持在1000Torr，这是由通过磁控阀门的节流气体来实现的。
接着在30分钟内把系统的压力线性地减小到8torr。通过调节流向热漏的水流，使由光测高温计测到的籽晶温度保持在2125℃上。
接着N2泄排气体以每分钟45标准立方厘米的总流量通过一个MKS Instruments质量流控制器流入。
接着系统在此条件下保持20小时，而排气率Ne＝28％Nt，接着在1小时30分内把坩埚温度从2350℃线性地下降到1200℃。然后再在一个小时以内对系统充以氮气，使压力线性变化到760torr，与此同时把给加热单元的功率线性地降为零。两个小时以后，把坩埚从晶体生长炉膛中取出。在成核位置形成的单晶AlN∶SiC的厚度在14mm到22mm范围内。在生长周期的过程中，在临近成核位置上的晶体，向外生长并形成共同的边界，从而得到含有许多单个单晶的一个平板或多个平板(参阅图20D)
图22画出另一个晶体生长系统，它装有一个蒸汽源装置210p，用以产生Al，Si，N和C源蒸汽的气流。在该系统中由加热液态Al-Si到特定的温度产生出来的Al+Si蒸汽在生长坩埚中和C，N蒸汽会合以产生合适流量和化学成分的源蒸汽。在坩埚中靠近籽晶或无籽晶成核位置的区域为Al，Si，C和N等成分所饱和，而这些成分将反应并在成核位置形成AlN∶SiC单晶合金。更具体地讲，蒸汽源装置210p包含图15，16，和18中所示的相同的或相似的盘构件23P，成核位置80p，栓90p，热漏棒22p和排气口。液态Al-Si装在下方坩埚975p中，如果需要的话，如同在冷坩埚的情况下，该坩埚可以在977p位置用-BN绝缘环或一物理间隙或其他合适方法来电气绝缘。热绝缘可以用热屏蔽979p来提供。坩埚975p可以是一个冷坩埚，例如一水冷铜坩埚，其中的材料由一水冷的感应加热线圈980p来加热。作为一种替代方法，坩埚975p也可以用高密度石墨，热分介石墨，覆盖碳化硅的石墨，或氮化硼制成。这些坩埚可以用电阻加热，也可以用感应加热，视何者适合。液态Al-Si保持在某一个温度上，使在坩埚内保持的条件特别是坩埚压力的条件下，足以产生一合适的蒸汽流。例如，对于30％Al，70％SiC(原子百分数)组成，Al和Si的总的蒸汽压在1727℃最好保持在约5.46torr上。为了得到一适宜的蒸汽流流量，高于约700℃的温度是优选的。Al和Si源蒸汽通过一含C的气体可渗透介质，例如能提供C源蒸汽成分的多孔石墨。另外，氮蒸汽成分的源是通过气体注入器993p提供，它是以N2或如前面所述的含氮气体的形成注入的。通过注入器993p注入的气体可以采取含有C和N的源蒸汽。在一个实施方案中，含C和N的源蒸汽是CN，它在例如N2这样适当的运载气体中输送。含C和N的源蒸汽流则用适当的装置获得，例如在CN的情况下，用一热质量控制器999p，它控制在高温(例如大于850℃)下经过仲氰的N2流量使得在N2中产生所需的CN流量。系统210p包含在熔融液体Al-Si上方一个水平挡板995p以有利于把Al和Si蒸汽输送到含有成核位置的生长坩埚区域。更具体地讲，水平挡板995p，包含一中央开口996p，它横跨Al和Si源蒸汽流动的通道以在它两旁建立一压力梯度并使Al和Si蒸汽流向生长坩埚的速度增加。此安排起了减小CN或其他含C和N气体向液态Al-Si反向扩散的作用，同时也起了把Al和Si源蒸汽推向生长晶体界面的作用。当晶体生长温度高于汽化液态Al和Si所需的温度时，这一点是特别重要的。如图22中所示，在一个代表性的晶体生长周期中，在坩埚975p中的液态Al-Si可以保持在1400℃到1700℃上以便在系统压力下产生足够的Al-Si蒸汽。加热坩埚的底部约为2400℃而成核位置优选地冷却到约2125℃。对于高度为20cm的炉膛，这产生约11.25℃/cm的热梯度。
图23给出一晶体生长系统310p，它与图22中的系统类似，不过含碳气体可渗透介质已经去掉，这样，Al和Si蒸汽成份由汽化熔液提供而N和C蒸汽成份由含C和N的源气体提供，在这里，源蒸汽是由N2携带的用仲氰产生的CN，如前所述。
图24画出一晶体生长装置410p，它类似于图22中的系统，不过有分开的装有熔化液体的源以产生Al和Si源蒸汽。更具体地讲，装置410p含有第一个坩埚1810p，它装有液态Al，保持在由水冷感应加热线圈1815p所控制的某一温度上，以及第二个坩埚1820p，它装有液态Si，保持在由加热线圈1825p所控制的温度上。用一热和电的绝缘体1830p把坩埚1810p和1820p隔开。坩埚1810p和1820p通过相应的Al/Si蒸汽流通道1840p，1842p与生长坩埚相通，而通道1840p，1842p优选地含有带中央开口的挡板1850p和1852p，以建立一压力梯度并有利于蒸汽流动。其方式在前已结合图22的实施方案有所叙述。为产生Al和Si蒸汽的独立坩埚是有利的，因为Al的蒸汽压比Si的蒸汽压要大许多。因而，当Al和Si以液态形式装在同一坩埚中时，如图22实施方案那样，Al-Si液体中的百分组成必须加以控制以便在坩埚同一温度和压力条件下，产生合适比例的Al和Si蒸汽。换言之，Al-Si复合熔液一般需要高(原子重量)百分数的硅以便在生长坩埚中得到所需Al和Si的蒸汽组分。而图24的分立坩埚允许独立的温度控制以便较好地控制Al和Si的汽化速率。
图25给出另外一个晶体生长系统510p，它与图24类似，不过含碳气体可渗透介质已被去掉，这样Al和Si蒸汽由汽化熔液来提供，而N和C蒸汽成份由含C和N的源蒸汽提供，这里源蒸汽是由N2携带的用对氰产生的CN，如前所述。
可以理解到图22-25中的系统允许用非常纯的源蒸汽并且能细致的控制化学成份。这些因素连同把成核位置(无论无籽晶或有籽晶)放置在液态蒸汽源邻近，使得本系统可以在没有或几乎没有排气下工作，虽然如此，人们认识到优选地有排气。
可以理解到，对于图22-25中的实施方案，在某种压力和温度条件下，Si和Al，无论是装在一起或分开装，都可以从固态形式汽化，以取代从液相汽化。
本叙述现将转回对优选冷却多重成核位置的另一种形式的讨论。图26A和26B示意地分别给出盘构件223p的顶视和侧视图。223p构成坩埚的上表面，它起作用的方式是和在图15-19各实施方案中盘构件23p和123p一样的。图26A和26B给出生长周期中t＝0时刻的情况，而图27A，27B到31A，31B给出通过20小时的生长周期，在其他时间上晶体顺序生长的情况。盘构件223p分成5个同心的环状冷却区域1-5。在每一个冷却区域上方有一对应的热移去系统(图中没有给出)，它能从该区把热量移去。各热移去系统分别加以操作以优选地冷却在其下方盘构件223p的对应区域。操作时，在t＝0(图26A和26B)，区域1被激活以冷却盘构件223p的中央部分，并在其下方建立一优选冷却成核位置。在t＝1小时(图27A和27B)区域2和区域1一样，也被激活，这时在区域1，在盘构件223p的中心位置，单晶AlNX∶SiCY的成核已经开始。在t＝2小时(图28A和28B)，除了区域1与区域2以外，区域3也被激活。这时晶体已沿着半径向外快速生长，优选地沿着晶体基平面的方向生长。在t＝3小时(图28A和29B)，区域4与区域1-3一样被激活，这时晶体已生长进区域3，在t＝4小时(图30A和30B)区域5就激活，以致从这时开始整个盘构件223p被冷却直到生长周期结束。在t＝20小时(图31A和31B)，生长周期终了，晶体已长到约20-50mm的所需厚度。可以理解到，根据本发明，在图26-31中所述的系统描述了当单晶AlNX∶SiCY生长在进行时，成核位置的顺序优选冷却。虽然图中没有画出，在1-5每一区域上的热移去系统可以包含各自的，计算机控制的同心冷却水循环区，它们包含在热漏棒内。同样，盘构件223p的下表面可以包含有利于局部冷却的结构组成，例如类似图.18所示位置80p的结构。当图26-31的实施方案中包含这样的结构时，该系统又含有顺序的局域化的热移去，又含有有利于局域化冷却的结构组成。
可以理解到，晶体通常进行批量生产。经历每一次运转和冷却周期，要打开炉子并从成核位置取出晶体。
把块状单晶AlN和AlN∶SiC合金单晶制作成成品宝石
参照图32-34，块状AlN或AlN∶SiC合金晶体11C(图32)切割成多块毛胚人工合成宝石12C(在图33中给出其中一块)，它有选定的重量，例如0.2到5克拉，毛胚宝石12C可以有立方或近似立方的外形。为了得到如图34中画出的成品宝石，人们发现把毛胚宝石12加工成和金刚钻宝石一样有精确的角度和非常尖锐的边缘是可取的，这样可以充分利用该材料的坚固性(刚性)和硬度以得到最大的闪光。制作过程的更完全的描述将在后面给出，在这之前，先一般地对宝石制作和制作像红宝石，蓝宝石和翡翠那样的有色彩的宝石的某些方面作一简要的讨论。
制作宝石概述(现有技术)
宝石制作包括四项技术：琢面(faceting)，抛光(fumbling)，镶嵌(Cabbing)和雕刻(Carving)。琢面在许多不同形状的宝石上形成多个平面(琢出面)。透明的和高度清澈的宝石通常要琢面。不太清澈和不透明的材料通常加以抛光，镶嵌，或雕刻，因为和琢面相联系的光学性质依赖于光从宝石内部的反射。
宝石的形状是面向上放置时的轮廓，是宝石镶好以后打算被人看到的位置。除了圆形以外的形状称为奇异形(fancy)。几种流行的奇异形包括熟知的翡翠切割，垫形，古式垫形，椭圆形，梨形和卵形(marquis)。有色宝石(以及超过3克拉的钻石)通常切割成奇异形，因为工匠用奇异形可以在原始宝石保留更多的重量，从而提高重量产出率。
在钻石上精密的标准化的琢面在有色宝石上很少用。其中一个理由是某些有色宝石由于较低的硬度和坚固性，不能把它琢面成尖锐的角度而不破碎或出现缺口。另外一个理由是专业人员和消费者都期望钻石对于其他宝石要有差别。“东方的或自然的切割”是用来描述琢面宝石的述语，这种琢面宝石有畸变的形状和不规则安置的琢面，而这一点对有色宝石更为普遍。首饰工业认可非完善琢面的有色宝石。大部分有色宝石只琢面到可以让光线进入。
大多数宝石有三个主部分：冠，腰和底部。冠是宝石的顶部，腰是形成冠和底之间边界的狭小区域，它是宝石镶嵌的边缘。底是宝石的底部。有色宝石在底部和冠部通常有琢面。
对于有色宝石制作过程概述(现有技术)
有色宝石琢面匠先把毛胚有色宝石研磨到成品宝石的大体形状和尺寸。这称为预成型。预成型采用粗磨料。对于预成型非常硬的有色宝石(刚玉，金缘玉，尖晶石和碳化硅)，嵌在镀镍铜盘上的金刚石磨料是最好的选择。
水是预成型和其他琢面工序中的润湿剂。首饰匠用各种安排来保持较小潮湿。预成型粗糙地形成了宝石腰的轮廓和冠和底的大体形象，并在宝石全部周围留下了霜状表面。在研磨琢面以前，首饰匠要把有色宝石装在宝石夹上，这一步骤称之为装夹。把宝石稍稍加热，然后按入宝石夹已经浸过熔化安装蜡的底部，当预成型物安装就位后，把它放在一边冷却。
有色宝石的琢面是在称为研磨机的水平旋转的轮子上研磨和抛光的。首饰匠用一系列的切割研磨机及不断变细的磨料来研磨琢面，逐渐地磨出它们的表面。接着它们总要在一特殊的抛光研磨机上作最后的抛光。
抛光研磨机是用各种材料制成的。这些设备所需的抛光剂是含有金刚石，刚玉，氧化铯，氧化锡非常细的粉末。为了一直在同一要求角度下切割和抛光。琢面匠要把宝石夹和一装置相联以使宝石和研磨机接触时，该装置能使宝石位置不变。在很多彩色宝石加工铺中所用的传统装置是柱栓。柱栓有一装在垂直柱上的块状物，在块状物边上有一系列的孔，宝石夹就装在其中一个孔中。每一个孔的位置给出一特定的角度(从腰平面)，该琢面就以该角度来切割。在孔中旋转宝石夹，给出了绕着宝石周线上，有同一角度，同一类型的全部琢面的位置。
AlN和AlN∶SiC合金宝石的制作方法。
因为大多数钻石的美丽决定于它的明亮闪烁(而不是颜色)，因而钻石的切割匠必须非常仔细地控制影响这些特性的各切割因素。因为AlN和AlN∶SiC晶体的折射率可以与金刚石相比较，因而根据本发明，宝石用精确的钻石切割方法来制成。首先，毛胚宝石用适当的粘结剂与宝石夹相联，最好用环氧树脂或超级胶水。在宝石夹装在一常规的琢面机上，该琢面机有精确的导向和定位机构以便在一平的旋转研磨机上琢面和抛光宝石。初始的粗琢面用80网孔尺寸(约200微米微粒尺寸)的金刚石颗粒研磨机。在一典型的圆形闪光宝石情况下，可以先形成底部琢面，通常有24个琢面。该80网孔的金刚石颗粒研磨机可以顺序地用下表中给出的金刚石颗粒研磨机来接着加工：
  网孔尺寸   粒子近似尺寸
  3251,2008,00014,00050,000 to 100,000   50微米15微米3微米2微米0.25 to 1微米
该14000网孔尺寸研磨机可以得到一适宜的最终抛光，其上基本没有肉眼可以觉察的抛光线。然而50000到100000网孔得到甚至更好的抛光，即使在放大10倍的情况下，也基本没有抛光线。
在宝石底已经被琢面和抛光后，再把宝石转过180°并粘在宝石夹上，以便用同样的系列研磨机，能够对宝石冠进行琢面和抛光。根据该琢面和抛光方法，在研磨机上用水来起冷却剂和润滑剂的作用。当宝石底和宝石冠已琢面和抛光完毕，其结果就是圆形的闪光的宝石，如图24中13C所示。
如前所述，除了用一定原子百分数的碳化硅在晶格结构中代替氮化铝从而形成合金外，在某些情况下，也可以通过在单晶氮化铝中掺以电学不活泼杂质，以提高所得到宝石的性能。在这方面，浓度在10-15到10-16范围内掺以镓(Ga)可以用来提高宝石的性能。也可以用例如铈，钆，钐等其他掺杂。
虽然本发明是结合着某些图示的实施方案来叙述的，但是显然可以对它作各种修改而没有偏离本发明的真正精神和范围。

Claims (7)

1.一种仿钻石宝石，它含有无色的，合成的AlN或范围在AlN0.8：SiC0.2至AlN0.5：SiC0.5之间的掺杂碳化硅的氮化铝合金的单晶，该单晶有被抛光到具有成品钻石宝石特征的光洁度的精密钻石琢面，并足以允许光射入宝石以便在宝石内部内反射。
2.按照权利要求1的仿钻石宝石，其中单晶是AlNx:SiCy单晶，其中X+Y＝1，X在约0.05和1之间而Y在约0.95到0之间。
3.按照权利要求1的仿钻石宝石，其中单晶是AlNx:SiCy单晶，其中X+Y＝1，X在约0.5和0.8之间而Y在约0.5和0.2之间。
4.按照权利要求1的仿钻石宝石，其中所述单晶由掺以无光学活性的杂质或补偿杂质的AlN构成，，以提高无色或近无色AlN的硬度和折射率。
5.一种制造合成的AlN或AlN:SiC合金单晶的仿钻石宝石的方法，它包含以下步骤：
把一块AlN或AlN:SiC合金单晶切割成多个毛胚合成宝石；以及
琢面及抛光其中一块毛胚合成宝石以得到成品宝石。
6.根据权利要求5的方法，还包括：
根据选自优选升华、汽化和凝结、块合成和融化形成的方法，生长无色AlN或AlN:SiC合金的单晶，以及
把晶体加工成一定形状和尺寸，并形成琢面，抛光琢面到具有成品钻石宝石特征的光学光洁度，从而制造成品仿钻石宝石。
7.根据权利要求5的方法，其中琢面和抛光一块由无色合成AlN或AlN:SiC合金单晶所形成的毛胚宝石的步骤产生一成品仿钻石宝石，其具有允许光进入宝石并在宝石内部反射的形状和抛光特性。
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Granted publication date: 20060906

Termination date: 20131008