DE69630535T2

DE69630535T2 - Edelsteine aus siliziumkarbid

Info

Publication number: DE69630535T2
Application number: DE69630535T
Authority: DE
Inventors: Eric Charles HUNTER; Dirk Verbiest
Original assignee: Charles and Colvard Ltd
Current assignee: Charles and Colvard Ltd
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2016-08-28
Also published as: JP3422422B2; WO1997009470A3; US5723391A; AU6902696A; US5762896A; AU710841B2; BR9610393A; CN1093085C; ATE253132T1; DK0853690T3; DE69630535D1; EP0853690A4; CA2230262A1; JPH11507906A; EP0853690B1; HK1015423A1; KR100331201B1; EP0853690A2; PT853690E; ES2207682T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft synthetisches durchscheinendes monokristallines Siliziumkarbid.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Allgemeine Anmerkungen zu Schmuckedelsteinen: Es gibt eine begrenzte Anzahl von Elementen und chemischen Verbindungen, deren physikalische Eigenschaften sie für (Schmuck)-Edelsteine nutzbar machen. Die physikalischen Eigenschaften, die allgemein anerkannt als die wichtigsten gelten, sind Härte, Brechungskoeffizient und Farbe, jedoch werden thermische Stabilität, chemische Stabilität und Zähigkeit bei vielen Edelstein-Anwendungen ebenfalls für wichtig gehalten.
Bis zum heutigen Tag sind die einzigen chemischen Substanzen, die man technisch gesehen als wertvolle Steine betrachtet, Diamant (einkristalliner Kohlenstoff) und Korund (Saphir und Rubin [einkristallines Aluminiumoxid]), da ihre Härte, gemessen auf der Mohsschen-Härteskala ca. 9 oder mehr beträgt. Die Mohssche-Härteskala ist ein Maß für die Härte eines Minerals, wobei Diamant als das härteste Mineral mit 10 bezeichnet ist, Saphir mit 9, Topas mit 8, bis hinunter zum weichsten Mineral, Talk, das mit 1 bezeichnet ist. Smaragd wird auf Grund seines seltenen Vorkommens auch als wertvoller Stein betrachtet, auch wenn seine Härte lediglich 7,5 beträgt, jedoch werden andere Edelsteine, wie beispielsweise Chrysoberyll, Topas und Granat auf Grund ihrer geringeren Härte für gewöhnlich als Halbedelsteine klassifiziert. Der praktische Wert der Härte besteht darin, dass sie die Kratzbeständigkeit eines Edelsteines definiert.
Der Brechungskoeffizient ist wichtig, da er die Fähigkeit eines Edelsteines zur Brechung von Licht definiert. Wenn Materialien mit großem Brechungskoeffizient zu fertigen Edelsteinen bearbeitet sind, funkeln sie und erscheinen glänzend, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Das charakteristische Funkeln von Diamant ist hauptsächlich durch dessen hohen Brechungskoeffizient bedingt.
Die Farbe eines Edelsteines wird durch eine Vielzahl von Faktoren bestimmt, von den Verunreinigungsatomen, die für den Einbau in das Kristallgitter zur Verfügung stehen, bis zu der physikalischen und elektronischen Struktur des Kristalls selber. Bei einem Rubin handelt es sich beispielsweise einfach um einen Saphirkristall (Aluminiumoxid), der Chrom-Verunreinigungsatome in geringer Konzentration enthält.
Die thermische und chemische Stabilität eines Edelsteins während des Prozesses des Einsetzens der Steine in Schmuckstücke kann von Wichtigkeit sein. Im Allgemeinen ist es von Vorteil, wenn Steine auf eine hohe Temperatur erwärmt werden können, ohne dass sie ihre Farbe ändern oder mit Umgebungsgasen reagieren (welche das Oberflächen-Finish beschädigen).
Die Zähigkeit eines Edelsteins betrifft dessen Fähigkeit, Energie zu absorbieren, ohne dass er bricht, absplittert oder sich Risse bilden. Ein Edelstein muss in der Lage sein, Stoßkräften zu widerstehen, die normalerweise während einer Tragelebensdauer, in einen Ring oder ein anderes Schmuckstück eingesetzten Zustand auftreten.
Die Kombination aus den Eigenschaften Härte, Brechungskoeffizient, Farbe, thermische/chemische Stabilität und Zähigkeit bestimmt insgesamt den Nutzwert eines Materials als Edelstein.
Edelsteine aus synthetischem Diamant: Bereits in den sechziger Jahren des 20. Jh. wurden von der General Electric Company Versuche unternommen, synthetische Diamanten in Edelsteinqualität zu erzeugen, wie durch zahlreiche Patente, einschließlich US-Patent Nr. 4 042 673 belegt ist. Diese Anstrengungen konzentrierten sich auf die Anwendung von sehr hohem Druck und hoher Temperatur zum Ziehen von monokristallinen Diamanten auf Kristallkeimen. Synthetische Diamanten in Edelsteinqualität haben im Großen und Ganzen keine kommerzielle Bedeutung erlangt.
Synthetisches Siliziumkarbid zur Verwendung als Schleifmittel und Halbleitermaterial: Siliziumkarbid wird in der Natur nur selten angetroffen. Jedoch wurde es seit mehr als 80 Jahren in kristalliner Form für Schleifinittelprodukte hergestellt. Natürlich vorkommende Siliziumkarbid-Kristalle und in Schleifmittelprodukten verwendete Siliziumkarbid-Kristalle sind schwarz und nicht durchscheinend, da sie beträchtliche Mengen an Verunreinigungsatomen enthalten.
Während der sechziger und siebziger Jahre des 20. Jh. gab es beträchtliche Entwicklungsaktivitäten mit dem Ziel, große (Roh)-Kristalle aus gering verunreinigtem Siliziumkarbid zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen zu ziehen. Diese Anstrengungen führten schließlich dazu, dass 1990 relativ niedrig verunreinigte, durchscheinende Siliziumkarbid-Kristalle zur Verfügung standen. Diese Siliziumkarbid-Kristalle werden lediglich in Form von sehr dünnen, grünen oder blauen (175 μm bis 400 μm) Scheiben, die sich für Halbleiterbauteile verwenden lassen, hergestellt und vermarktet.
Siliziumkarbid hat eine sehr große Härte (Mohs-Härte 8,5 bis 9,25 in Abhängigkeit von Polytyp [atomarer Anordnung] und kristallografischer Richtung) und eine hohe Brechzahl (= Brechungskoeffizient) (beträgt 2,5–2,71 in Abhängigkeit vom Polytyp). Weiter ist Siliziumkarbid ein sehr zähes und extrem stabiles Material, das in Luft auf mehr als 1093,3°C (2000°F) erhitzt werden kann, ohne Schaden zu nehmen.
Siliziumkarbid ist ein sehr komplexes Materialsystem, das mehr als 150 unterschiedliche Polytypen ausbildet, von denen jeder unterschiedliche physikalische und elektronische Eigenschaften hat. Die unterschiedlichen Polytypen können in drei Grundformen eingeteilt werden, kubisch, rhomboedrisch und hexagonal. Sowohl die rhomboedrischen als auch die hexagonalen Formen können in einer Vielzahl unterschiedlicher Atomanordnungen auftreten, die sich gemäß der atomaren Stapelabfolge unterscheiden.
Woo Sik Yoo et al. "Bulk crystal growth of 6H-SiC on polytype-controlled sbstrates through vapor phase and characterization", Journal of Crystal Growth, 115 (1991) 733–739, offenbart ein Rohkristallwachstum von 6H-SiC durch Sublimation. Die Kristallinität der gezogenen Schichten wurde durch optische Verfahren untersucht. Es gibt keinen Hinweis oder Vorschlag bezüglich eines Schneidens und Polierens eines Siliziumkarbid-Materials zu einem Edelstein.
INHALT DER ERFINDUNG
In einem weit gefassten Aspekt besteht die Erfindung in der Entdeckung, dass relativ gering verunreinigtes, durchscheinendes Einkristall-Siliziumkarbid – momentan genutzt als Material zur Herstellung von sehr dünnen Halbleiterbauteilen –, das in gewünschter Farbe durch Ziehen erzeugt und danach zerschnitten, facettiert und poliert wurde, für Schmuckzwecke genutzt werden kann. Somit haben derartige Kristalle (i) eine Härte, die der von Kristall nahe kommt, (ii) hervorragende Zähigkeit, (iii) hervorragende thermische/chemische Stabilität und (iv) einen hohen Brechungskoeffizient, der dem Siliziumkarbid-Edelstein einen genauso großen, wenn nicht größeren Glanz als Diamant verleiht. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein Einkristall aus Siliziumkarbid, vorzugsweise in konsistenter Farbe, mittels eines geeigneten Verfahrens gezogen, beispielsweise mittels des Sublimationsverfahrens, das im US-Patent Nr. Re 34 861 offenbart ist. Anstatt den großen Kristall in viele dünne Scheiben zu schneiden, dienen die Kristalle als "Boules" (birnenförmige Körper), die zu synthetischen Rohedelsteinen mit einem Gewicht in der Größenordnung von beispielsweise ¼ bis 5 Karat zerteilt werden. Die Rohedelsteine werden danach zu fertigen synthetischen Siliziumkarbid-Edelsteinen verarbeitet. Die Facettier- und Polierverfahren sind von den Verfahren abgeleitet, die momentan in Verbindung mit dem Facettieren und Polieren von farbigen Edelsteinen, beispielsweise Rubinen und Saphiren, verwendet werden, und schließen bestimmte Prozeduren ein, die in Verbindung mit Diamanten verwendet werden.
Wie zuvor erwähnt werden Einkristalle aus Siliziumkarbid vorzugsweise unter den gleichen oder ähnlichen Bedingungen gezogen wie denen, die bei der Herstellung von Kristallen angewandt werden, welche einen für Halbleiter-Anwendungen erforderlichen niedrigen Verunreinigungsgrad aufweisen, wobei selbstverständlich anzumerken ist, dass höhere Verunreinigungsgrade innerhalb akzeptierter Bereiche entsprechend der Anforderung an die Materialien, die für die Verwendung als Edelstein geeignete Durchsichtigkeit und weitere optische Eigenschaften aufweisen müssen, zulässig sein können.
Siliziumkarbid-Kristalle können in einem weiten Bereich von Farben (einschließlich grün, blau, rot, lila, gelb und schwarz) sowie Farbtönen (Farbabstufungen) innerhalb jeder Farbe gezogen werden, und zwar durch geeignete Wahl der Dotierstoffe (z. B. Stickstoff und Aluminium) und durch Verändern der effektiven Dotierdichte (Konzentration). Undotierte Siliziumkarbid-Kristalle in hexagonaler oder rhomboedrischer Form sind farblos und weisen gleich großen oder größeren Glanz als Diamant auf.
Siliziumkarbid-Rohedelsteine werden aus großen Einkristallen geschnitten und dann durch eine Kombination von Verfahren, die momentan in Verbindung mit herkömmlichen farbigen Edelsteinen und Diamanten verwendet werden, zu fertigen Edelsteinen bearbeitet. Die Härte und Zähigkeit von Siliziumkarbid erlaubt, dass die Steine mit sehr scharfen Kanten facettiert werden, wodurch das Gesamtaussehen und der Glanz der Steine verbessert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Einige Ziele wurden bereits erwähnt und andere Ziele werden im Verlauf der folgenden Beschreibung klar werden, und zwar in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, welche zeigen:
1 eine Darstellung einer "Boule"(Birne), die aus einem großen, aus einem Siliziumkarbid-Polytyp aufgebauten Einkristall besteht.
2 eine vergrößerte Darstellung eines synthetischen Rohedelsteins, der aus dem Einkristall von 1 geschnitten wurde.
3 eine vergrößerte Abbildung eines fertigbearbeiteten synthetischen Siliziumkarbid-Edelsteins, der durch Bearbeitung des Rohedelsteins von 2 erzielt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Auch wenn die Erfindung detaillierter mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben wird, wobei in der Beschreibung Aspekte der bevorzugten Art der Ausführung der Erfindung dargestellt sind, versteht es sich für die folgende Beschreibung, dass Fachleute Modifikationen der hier beschriebenen Erfindung vornehmen können und dabei immer noch die positiven Ergebnisse dieser Erfindung erzielt werden. Demgemäß ist die folgende Beschreibung als an Fachleute gerichtete, breite und anleitende Offenbarung zu verstehen und nicht als Einschränkung der Erfindung.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 eine "Boule", die aus einem großen aus Siliziumkarbid aufgebauten Einkristall 11 besteht, der ein Gewicht von ca. 143,2 g (716 Karat) hat und aus dem ca. 105 synthetische rohe Edelsteine von 1,0 g (5 Karat) geschnitten werden können (2). Jeder Rohedelstein von 1,0 g (5 Karat) liefert, wenn er zu einem fertigen Edelstein fertigbearbeitet ist, einen Edelstein mit einer Größe von ca. 0,4 g (2 Karat). Der Kristall 11 ist im Wesentlichen zylindrisch und hat eine Höhe von 44 mm und einen Durchmesser von 40 nun. In der bevorzugten Art der Ausführung der Erfindung besteht der Kristall 11 aus einem einzigen Polytyp, mit ausreichend weiter Energiebandbreite (ausreichend geringer Nettozahl elektrisch aktiver Verunreinigungsatome) von z. B. hexagonaler Form, beispielsweise 6H SiC, und sein Netto-Verunreinigungsgrad ist gering genug, dass der Kristall zur Verwendung als Edelstein ausreichend durchscheinend ist.
Der Kristall 11 wird durch ein geeignetes Sublimations- oder Abscheideverfahren, oder ein anderes Verfahren zum Ziehen großer Siliziumkarbid-(Massen)-Einkristalle erzeugt, wobei das bevorzugte Verfahren ein mithilfe eines Kristallkeimes erfolgendes Sublimationsziehverfahren ist. Gemäß diesem bevorzugten Verfahren erfolgt das Zielen des Kristalls 11 dadurch, dass ein monokristalliner, einen Keim bildender polierter Kristall aus Siliziumkarbid von gewünschtem Polytyp in den Ofen eines Sublimationssystems eingebracht wird, und zwar gemeinsam mit Silizium- und Kohlenstoff-haltigem Gas oder Pulver (Ausgangsmaterial). Das Ausgangsmaterial wird auf eine Temperatur erwärmt, die bewirkt, dass das Ausgangsmaterial einen Dampfstrom erzeugt, welcher zur Ablagerung von verdampftem Si, Si₂C und SiC₂ auf der Zieh- oder Wachstumsfläche des den Keim bildenden Kristalls führt. Ein reproduzierbares Ziehen eines einzelnen gewählten Polytyps auf dem Kristallkeim wird dadurch erzielt, dass man für einen konstanten Strom von Si, Si₂C und SiC₂ sorgt und den Temperaturgradienten zwischen Ausgangsmaterial und Kristallkeim steuert.
Mittels des Sublimationsverfahrens gezogene Kristalle wurden als Material verwendet, aus dem sehr dünne Scheiben zur Verwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen entnommen werden. Diese Scheiben (175 μm–400 μm) waren – wie der Kristall – grün oder blau, wobei die Farbe (und die gewünschten elektrischen Eigenschaften) durch bewusstes Dotieren mit gewählten Dotierstoffen und mit gewählten Konzentrationen während des Ziehprozesses erzielt wurden.
Das Ziehen von undotiertem (intrisischem) Siliziumkarbid wurde bisher nicht im kommerziellen Rahmen durchgeführt. Die extrem niedrige elektrische Leitfähigkeit von undotiertem Siliziumkarbid bewirkt, dass es bei der Herstellung von Halbleiterprodukten nur geringen oder gar keinen praktischen Wert hat. Jedoch wurde gefunden, dass, da die hexagonalen oder rhomboedrischen Polytypen aus Siliziumkarbid sehr breite Energiebandabstände (> 2,7 Elektronenvolt) aufweisen, wenn sie undotiert gezogen werden (oder gleichbedeutend, sie eine sehr niedrige Menge an Verunreinigungsatomen oder an elektrisch aktiven Verunreinigungsatomen aufweisen, die Kristalle farblos sind. Um undotierte, farblose Siliziumkarbid-Einkristalle zu erzeugen, sorgt man dafür, dass das Kristall-Ziehsystem im Wesentlichen frei von unerwünschten, gasförmigen oder verdampften Verunreinigungsatomen bleibt, die andernfalls zu einem unerwünschten Dotieren des Kristalls während des Ziehvorgangs führen würden, und zwar unter Verwendung von allgemein bekannten Niederdruck-Brennverfahren. Bevorzugte Polytypen für farblose Siliziumkarbid-Edelsteine sind 6H und 4H SiC. Der Kristallkeim, welcher zum Initialisieren des Ziehens des Einkristalls für derartige Edelsteine dient, ist ein Kristallkeim, der aus dem gleichen Polytyp, 6H bzw. 4H SiC, besteht.
Um Kristalle aus hexagonalem Siliziumkarbid zu erzeugen, welche unterschiedliche Farben aufweisen, muss man beabsichtigtermaßen spezielle Verunreinigungsatome zusetzen. Die kubische oder 3C-Form von Siliziumkarbid erscheint, auf Grund des geringeren Energiebandabstandes, wenn sie nicht mit Verunreinigungsatomen dotiert ist, in gelber Farbe. Da eine große Anzahl unterschiedlicher Atomanordnungen von Siliziumkarbid vorkommt (von denen jede mit einer Reihe unterschiedlicher Dotierstoffe in verschiedenen Kombinationen und Konzentrationen dotiert werden kann), ist es möglich, Edelsteine in einem weiten Bereich von Farben und Farbtönen herzustellen. Beim Polytypen 6H verwendet man für gewöhnlich die Dotierstoffe Stickstoff (n-Typ) und Aluminium (p-Typ), und zwar in Konzentrationen, die sich typischerweise von einem niedrigen Bereich in der Größenordnung von 10¹⁵ Trägeratomen/cm³ bis zu einem hohen Bereich in der Größenordnung von 10¹⁹ Trägeratomen/cm³ bewegen. Andere Dotierstoffe wie beispielsweise Bor können in Kon zentrationen verwendet werden, die ausreichen, um gewünschte Farben und Farbtöne zu erzielen. Die untenstehende Tabelle gibt verschiedene Atomanordnungen und Dotierstoffe an, welche mehrere repräsentative Grundfarben liefern.
Auch wenn die oben angegebenen Kombinationen eine große Vielfalt von Farben liefern, haben alle Kristalle zwei sehr wichtige Eigenschaften gemeinsam, und zwar (1) große Härte und (2) einen großen Brechungskoeffizient. Vergleicht man Härte und Brechungskoeffizient, sowie auch die Dichte von Siliziumkarbid mit denen anderer Edelsteinmaterialien ergibt sich folgendes Bild:
Wie in der obenstehenden Tabelle dargestellt, ist Siliziumkarbid, wenn es in bestimmten Atomanordnungen und unter gesteuertem Einbringen spezieller Dotieratome erzeugt wird, ein hervorragendes farbiges Edelsteinmaterial, dessen physikalische Eigenschaften vorteilhafterweise mit denen von Korund und Smaragd vergleichbar sind oder diese übertreffen. In seiner undotierten hexagonalen und rhomboedrischen Form (insbesondere der hexagonalen Form, bei der sich nach je sechs Atomschichten die gleiche Atomstruktur wiederholt, d. h. 6H), ist Siliziumkarbid das als erstes in Frage kommende Material, um die Eigenschaften von Diamant nachzubilden.
Bearbeitung der Edelsteine
Erneut Bezug nehmend auf die Zeichnungen wird der Siliziumkarbid-Kristall 11 (1), welcher beispielsweise ein Gewicht von 143,2 g (716 Karat) hat, in eine Vielzahl synthetischer Rohedelsteine 12 (von denen einer in 2 dargestellt ist) geschnitten, der ein gewähltes Gewicht von beispielsweise 1,0 g (5 Karat) hat. Der Rohedelstein 12 hat vorzugsweise kubische oder näherungsweise kubische Form. Um einen fertigbearbeiteten Edelstein wie dargestellt in 3 zu erzeugen, hat es sich als wünschenswert erwiesen, den Rohedelstein 12 zu einem fertigen Edelstein gemäß einem neuartigen Prozess zu bearbeiten, der sich zur Ausnutzung der physikalischen Eigenschaften des Siliziumkarbid bestens eignet. Dieser Prozess beinhaltet Facettierverfahren, die zu sehr genauen Winkeln und sehr scharfen Kanten führen, um die Zähigkeit und Härte des Siliziumkarbid-Materials vollständig ausnutzen, wobei auch andere Verfahren zum Einsatz kommen, die den für farbige Steine verwendeten Verfahren ähnlicher sind. Eine ausführlichere Beschreibung des Facettierungsprozesses wird nachfolgend gegeben, und zwar im Anschluss an eine kurze Erörterung des Bearbeitungsvorgangs im Allgemeinen, sowie gewisser Aspekte der Bearbeitung von farbigen Edelsteinen, beispielsweise Rubinen, Saphiren und Smaragden.
Allgemeine Grundlagen der Edelsteinbearbeitung (Stand der Technik)
Die Bearbeitung von Edelsteinen beinhaltet vier Verfahren: Facettieren, Rommeln, "Cabbing" und Meißeln. Durch Facettieren erzielt man auf Edelsteinen ebene Flächen (Facetten) mit vielen unterschiedlichen Formen. Bei transparenten und stark durchscheinenden Edelsteinen nimmt man normalerweise ein Facettieren vor. Materialien, die weniger durchscheinend und opak sind, führt man für gewöhnlich Rommeln, "Cabbing" oder Meißeln aus, da die optischen Eigenschaften, die mit dem Facettieren in Zusammenhang stehen, von Lichtreflexionen innerhalb des Steins abhängen.
Unter der Form eines Edelsteins versteht man seinen Umriss bei nach oben weisender Vorderseite, der Position, in welcher er in eingebautem Zustand zu sehen ist. Es werden runde Formen hergestellt, und auch andere Formen, die als "Fancy" bezeichnet werden. Unter diesen als "Fancy" bezeichneten Formen finden sich der allgemein bekannte Diamantschliff, "Cushion", "Antique Cushion", Ovalform, Birnenform und "Marquis". Farbige Steine (und Diamanten über drei Karat) werden im Allgemeinen zu einer "Fancy"-Form verarbeitet, da der Steinbearbeiter durch Verwendung der "Fancy"-Form einen größeren Teil des Gewichtes des ursprünglichen Edelsteines bewahren kann, wodurch die Gewichtsausbeute verbessert wird.
Das präzise standardisierte Facettieren, das bei Diamanten zu finden ist, wird bei farbigen Steinen nur selten angewendet. Ein Grund dafür liegt darin, dass sich einige farbige Steine auf Grund ihrer geringeren Härte und Zähigkeit nicht mit scharfen Winkeln facettieren lassen, ohne dass Bruch und Abplatzungen auftreten. Ein weiterer Grund liegt darin, dass zu Diamanten damit beruflich befasste Leute oder Käufer eine unterschiedliche Erwartungshaltung haben als zu anderen Steinen. "Orientalischer" oder "nativer" Schliff sind Begriffe, die verwendet werden, um facettierte Edelsteine zu beschreiben, welche verzerrte Formen und unregelmäßig angeordnete Facetten aufweisen und häufiger auf farbigen Steinen zu finden sind. In der Schmuckindustrie finden nicht perfekt facettierte farbige Steine Akzeptanz. Die Facettierung der meisten farbigen Steine ist gerade groß genug, um Licht hineinzulassen.
Die meisten facettierten Edelsteine weisen drei Hauptteile auf Krone, Gürtelzone (girdle) und "Pavillon". Die Krone ist der obere Teil, die Gürtelzone der schmale Abschnitt, der die Grenze zwischen Krone und "Pavillon" bildet, und stellt die Einsetzkante des Edelsteins dar. Der "Pavillon" ist das untere Teil. Farbige Steine sind für gewöhnlich auf Pavillon und Krone mit Facetten versehen.
Allgemeines Verarbeitungsverfahren für farbige Steine (Stand der Technik)
Man beginnt beim Facettieren von farbigen Edelsteinen damit, dass der farbige Rohedelstein auf die ungefähre Form und Abmessung des fertigen Steins geschliffen wird. Dies wird als Vorformen bezeichnet. Für das Vorformen wird ein grobes Schleifmittel verwendet. In eine nickelbeschichtete Kupferscheibe eingebetteter Diamantsplit eignet sich bei sehr harten farbigen Steinen (Korund, Chrysoberyll, Spinell und Siliziumkarbid) am besten zur Durchführung des Vorformens.
Als Benetzungsmittel beim Vorformen und beim übrigen Teil der Facettier-Arbeitsschritte wird Wasser verwendet. Bei der Steinbearbeitung werden verschiedene Anordnungen verwendet, um die Scheiben nass zu halten. Beim Vorformen erfolgt eine grobe Bearbeitung des Gürtelzone-Umrisses und des Gesamtprofils von Krone und Pavillon, wobei auf dem gesamten Stein eine matte Oberfläche entsteht. Vor dem Schleifen der Facetten muss die bearbeitende Person den farbigen Stein auf einem "Dop"-Stab befestigen. Diese Prozedur wird als "Dopping" bezeichnet. Der Stein wird leicht erwärmt und dann auf das Ende des "Dop"-Stabes aufgebracht, welcher zuvor in geschmolzenes "Dopping"-Wachs getaucht wurde. Wenn der vorgeformte Stein dann an seiner Position fixiert ist, wird er zum Abkühlen auf die Seite gestellt.
Die Erzeugung der Facetten auf den farbigen Steinen erfolgt durch Schleifen und Polieren auf sich horizontal drehenden Scheiben, die als Läppwerkzeuge bezeichnet werden. Steinverarbeiter verwenden eine Reihe von Schleif-Läppeinrichtungen mit fortschreitend feinerer Körnung, um die Facetten durch Schleifen zu erzeugen, wobei dabei deren Oberflächen nach und nach glatter werden. Danach erfolgt eine Endpolitur auf einer speziellen Polier-Läppeinrichtung.
Polier-Läppeinrichtungen werden aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt. Die Poliermittel, die bei diesen zum Einsatz kommen, sind sehr fein gemahlene Pulver, und schließen Diamant, Korund, Zeroxid und Zinnoxid ein. Um ein konsistentes Schleifen und Polieren unter den gleichen gewünschten Winkeln durchzuführen, wird der "Dop"-Stab von der das Facettieren durchführenden Person an einer Vorrichtung befestigt, welche den Stein bei seinem Aufbringen auf die Läppeinrichtung in seiner Position hält. Herkömmlicherweise wurde in vielen farbige Steine bearbeitenden Werkstätten als Spanneinrichtung ein sogenannter Stützpflock ("jamb peg") verwendet. Bei diesem ist ein Klotz an einem vertikalen Pfosten befestigt. Der "Dop"-Stab lässt sich in eines von einer Reihe von auf der Seite des Blockes befindlichen Löchern einstecken. Durch die Position eines jeden Loches wird ein (relativ zur Gürtelzone-Ebene) genau bestimmter Winkel festgelegt, unter dem das Schleifen der Facette erfolgt. Durch Drehen des "Dop"-Stabes im Loch werden alle Facetten eines gegebenen Typs unter dem gleichen Winkel auf ihrer Kreisform um den Stein herum angebracht.
Verarbeitungsprozess für Siliziumkarbid-Edelsteine
Da die Schönheit der meisten Diamanten von Funkeln, Glanz und Feuer (nicht Farbe) abhängt, müssen die mit dem Schleifen der Diamanten befassten Personen die Schleiffaktoren, welche diese Charakteristiken beeinflussen, sorgfältig steuern. Es ist sehr schwierig, auf farbigen Edelsteinen einen Diamantschliff anzubringen.
Da der Brechungskoeffizient von Siliziumkarbid größer ist als der von Diamant und farbigen Steinen, wird gemäß der Erfindung der Siliziumkarbid-Edelstein mit einem Präzisions-Diamantschliff versehen, und zwar unter Verwendung von Diamant-Handwerkzeugen, die unter der Bezeichnung "Tang" bekannt sind. Ein "Tang" ermöglicht, dass die das Schleifen durchführende Person den Winkel der Facette einstellen und anpassen kann, was bei den Handwerkzeugen für farbige Steine, die voreingestellt sind, nicht möglich war. Durch die Präzision des Diamant-Handwerkzeuges ("Tang") wird die das Schleifen durchführende Person in die Lage versetzt, die für einen Diamant verwendeten Winkel und Proportionen anzuwenden, was bei den Siliziumkarbid-Edelsteinen der Erfindung zu "scharfen Kanten" führt. Da jedoch Siliziumkarbid nicht so hart ist wie Diamant, werden die herkömmlichen für farbige Steine dienenden Läppscheiben beim Facettierprozess mit Drehzahlen verwendet, die unterhalb denen von typischerweise für die Diamantbearbeitung verwendeten Scheiben liegen, d. h. bei weniger als 3000 U/min, und vorzugsweise bei Drehzahlen in der Größenordnung von 300 U/min.
Es folgt nun eine genauere Beschreibung des Siliziumkarbid-Bearbeitungsverfahrens der Erfindung, und zwar wird der Siliziumkarbid-Rohedelstein an einem "Dop"-Stab montiert und an der Oberseite des "Tang" befestigt. Zuerst erfolgt ein Schleifen der an der Kante befindlichen Gürtelzone (girdle) auf der Schleifscheibe. Dadurch wird die Form des Steins festgelegt.
Die "Tischzone" ("table"), die ebene Oberseite, welche die größte Facette des gesamten Steins darstellt, wird als nächstes ebenfalls unter Verwendung des Tischzone"Tang" geschliffen. Die Tischzone wird dann unter Verwendung eines vier Schritte umfassenden Prozesses mit Läppeinrichtungen (Scheiben) poliert, und zwar von groben zu feinen Körnungsgrößen fortschreitend. Das Polieren kann mit einem Läppwerkzeug von 20 bis 40 μm (600er Körnung) beginnen, fortgeführt wird es dann mit 10 bis 20 μm (1200er Körnung), weitergemacht wird mit 4 bis 8 μm (3000er Körnung), und die Endbearbeitung erfolgt mit einer Keramikscheibe, die eine effektive Korngröße von 0,1 bis 1 μm aufweist, was die feinste Bearbeitung ist.
Der "Dop"-Stab wird dann zu einem Oberseiten-"Tang" weiterbewegt, um das Schleifen der Oberseite vorzunehmen und das "Crosswork" zu erzeugen, das aus vier Basiselementen (Facetten) besteht. Dann wird der "Dop"-Stab zu einem Unterseiten-"Tang" weiterbewegt und es wird der Schliff des "Crosswork" erzeugt, das aus vier Basiselementen (Facetten) besteht. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt eine visuelle Untersuchung des Steins, um dessen Bearbeitungsgenauigkeit festzustellen. Nach dieser Untersuchung wird der vier Läppschritte umfassende Polierprozess, der für die Tischzone ("table") beschrieben wurde, für die Basiselemente wiederholt.
Der "Dop"-Stab wird auf das Oberseiten-"Tang" weiterbewegt und die Oberseiten"Stern"-("star")-Facetten werden erzeugt – es gibt acht von diesen Facetten, die gemeinsam mit den oberen Gürtelzone-Facetten (16 Facetten) erzeugt werden. Der "Dop"-Stab wird dann zum Unterseiten-"Tang" weiterbewegt und die unteren Gürtelzone-Facetten (16 Facetten) werden durch Schleifen erzeugt. Der vier Läppschritte umfassende Polierprozess, der für die Tischzone und die Basiselemente beschrieben wurde, wird für die restlichen Gürtelzone-Facetten wiederholt. Der Rohedelstein ist nun zu einem facettierten und polierten, runden Brilliant-Edelstein 13 geworden, wie dargestellt in 3.
Auch wenn die Erfindung in Verbindung mit gewissen dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Verwendung eines Einkristalls aus durchscheinendem synthetischen Siliziumkarbid für Schmuckzwecke.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall farblos ist.
Verwendung nach Anspruch 2, wobei der Kristall eine Kristallstruktur aufweist, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus 6H SiC und 4H SiC besteht.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Kristall um einen undotierten Kristall hexagonaler oder rhomboedrischer Form handelt, der die Eigenschaften von Diamant nachbildet.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall mit einem Diamantschliff bearbeitet ist.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall ein runder glänzender Edelstein ist.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall aus einem dotierten gefärbten Kristall erhalten wird.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall Farbe, Kristallstruktur und Dotiereigenschaften aufweist, die aus der Gruppe gewählt sind, bestehend aus:
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall dotiert ist und eine 6H SiC-Kristallstruktur aufweist und der Dotierstoff im Kristall in einer Konzentration zwischen 10⁵ und 10⁹ Trägeratomen/cm³ vorliegt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei der Kristall eine Mohssche-Härte von 8,5 bis 9,25 und eine Dichte (SG) von näherungsweise 3,2 aufweist, wobei der Glanz (Brillanz) durch einen Brechungsindex von 2,50 bis 2,71 definiert ist.
Verwendung nach Anspruch 10, wobei der Kristall mit einem Diamantschliff bearbeitet ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Schmuckstücks, das einen Einkristall aus durchscheinendem synthetischen Siliziumkarbid zur Verwendung für Schmuckzwecke aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen eines synthetischen Rohedelsteins aus Siliziumkarbid, der aus einem einzigen Polytyp besteht; und – Facettieren und Polieren des synthetischen Rohedelsteins, um einen fertig bearbeiteten Edelstein herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der aus Siliziumkarbid bestehende synthetische Rohedelstein dadurch hergestellt wird, dass aus einem aus Siliziumkarbid bestehenden synthetischen Einkristall eine Mehrzahl synthetischer Rohedelsteine durch Zerschneiden erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, welches den Schritt umfasst, bei dem ein Ziehen eines aus einem einzigen Siliziumkarbid-Polytyp bestehenden Einkristalls gewünschter Farbeigenschaft erfolgt, um einen aus Siliziumkarbid bestehenden Einkristall zu erzielen, der eine Mohssche Härte von 8,5 bis 9,25, eine Dichte (SG) von näherungsweise 3,2 und einen Glanz aufweist, der durch einen Brechungsindex von 2,50 bis 2,71 definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, welches den Schritt umfasst, bei dem das Ziehen des aus Siliziumkarbid bestehenden Einkristall in farbloser Form erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, welches den Schritt umfasst, bei dem das Ziehen des aus Siliziumkarbid bestehenden Einkristalls aus einem Kristallkeim in einem Sublimationssystem erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, welches den Schritt umfasst, bei dem das Ziehen des Einkristalls als 4H SiC oder 6H SiC, und vorzugsweise als intrinsisches SiC oder 6H SiC erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt des Ziehens des aus Siliziumkarbid bestehenden Kristalls beinhaltet, dass der Kristall selektiv dotiert wird, um eine gewünschte Farbe und Tönung des Kristalls zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem Farbe, Kristallstruktur und Dotiereigenschaften des aus Siliziumkarbid bestehenden Einkristalls aus der folgenden Gruppe gewählt sind, wobei der Schritt des Ziehens des dotierten aus Siliziumkarbid bestehenden Kristalls beinhaltet, dass der Kristall selektiv dotiert wird, um eine gewünschte Farbe und Tönung des Kristalls zu erzielen:
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei welchem der Schritt des Facettierens und Polierens beinhaltet, dass der Siliziumkarbid-Kristalls mit einem Diamantschliff facettiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei welchem der Schritt des Facettierens und Polierens beinhaltet, dass die Facetten unter Verwendung eines Vierschritt-Prozesses von Läppvorgängen poliert werden, und zwar von rauhen zu glatten Korngrößen fortschreitend.
Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Polieren mit einem Läppwerkzeug von 20 bis 40 μm (600er Körnung) beginnt, dann mit 10 bis 20 μm (1200er Körnung) fortgefahren wird, mit 4 bis 8 μm (3000er Körnung) wei tergemacht wird und die Endbearbeitung mit einer Keramikscheibe erfolgt, welche eine effektive Korngröße von 0,1 bis 1 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Schritt des Facettierens beinhaltet, dass das Facettieren unter Verwendung einer Stein-Läppscheibe erfolgt, deren Drehzahl weniger als 3000 U/min, vorzugsweise ca. 300 U/min beträgt.