专利名称：高压结晶成长装置及其相关方法
技术领域：
本发明大体而言涉及一种用于在高压及高温下生长结晶材料的设备和方法。因此，本发明涉及化学、冶金、材料科学、物理学及高压技术领域。
背景技术：
用于实现高压的装置已问世半个多世纪。典型的超高压装置包括活塞汽缸压力机、立方体压力机、四面体压力机、压带机、压环机及类似装置。这些装置中的大多数能够实现从约4Gpa到约7Gpa的超高压。
高压装置通常用于合成钻石和立方氮化硼(cBN)。一般而言，可选择将基本原料和其它原料并将其装配入高压总成，随后将该高压总成放置到高压装置中。在高压且通常高温下，原料组合形成所需的产品。更具体地说，可将石墨、非钻石碳或甚至钻石作为钻石合成中的原料，而可将六角形氮化硼(hBN)用于立方氮化硼(cBN)合成。随后，可将原料与催化剂材料相接触并且混合。经常使用的钻石合成催化剂例如铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)及其合金等。可将碱金属、碱土金属或这些材料的化合物作为cBN合成中的催化剂材料。随后，可将原料及催化剂材料放入高压装置中，其中高压装置的压力升到超高压，例如5.5GPa。接着，可使电流通过石墨加热管或者直接通过石墨。催化剂材料的阻抗加热足以引起催化剂材料的熔化，例如钻石合成通常为约1300℃，而立方氮化硼(cBN)合成通常为约1500℃。在这些条件下，原料可溶入催化剂并且随后以钻石或cBN的结晶形态沉淀出。
通常使用等温法或温度梯度法来合成钻石。每种方法均利用碳在例如温度、压力以及材料浓度等各种条件下的溶解性。等温法涉及碳源材料、金属催化剂，有时涉及钻石种晶的使用。最常见的碳源是石墨或其它形态的碳材料。在高压和高温下，石墨在熔融催化剂中的溶解性远大于钻石的溶解性。因此，石墨更易于溶解或分散入熔融催化剂中，或者与其形成胶态悬浮体，直到达到饱和点。随后，过量的碳可作为钻石沉淀出。通常，钻石种晶可被一层较薄的熔融催化剂封皮包覆，例如铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)及其合金。在这种情况下，碳可溶入并且扩散通过熔融催化剂封皮，从而向钻石核的钻石种晶运动。由于薄熔融催化剂层的存在，此类型的等温制程通常也被称为薄膜制程。
相比之下，温度梯度法在碳源和钻石种晶之间保持一温度梯度，该碳源和钻石种晶以相对较厚的熔融催化剂层分隔开。与钻石种晶相比，碳源保持在相对较高的温度下。因而，碳在较热区中的溶解度更大。随后，碳向钻石种晶所在的较冷区域扩散。在较冷区域，碳的溶解性降低，因此使得碳在钻石种晶处沉淀为钻石。熔融催化剂层通常相对较厚以便保持足够的温度梯度，例如20℃至50℃，因此通常也被称为厚膜制程。
不幸的是，当前已知的高压晶体合成方法具有若干缺点，这些缺点限制了其生产较大、较高品质晶体的能力。举例而言，等温制程通常局限于生产超级磨料的较小晶体，以用作切割、研磨和抛光应用；温度梯度制程可用于生产较大钻石，但是，生产能力和品质受到限制。已尝试多种方法来克服这些限制。一些方法利用结合多个钻石种晶，但是，种晶之间的温度梯度阻碍了在一个以上的种晶上实现最佳生长条件。一些方法利用提供两个或两个以上的温度梯度反应总成，例如美国专利第4,632,817号中所描述，不幸的是，通常只能在这些反应总成的下部生产高品质钻石。这些方法中的一些方法利用调整温度梯度以便补偿部份限制，但是，这些方法涉及额外的成本和变量以便在不同的温度和生长材料下同时控制生长速度和钻石品质。
此外，当前已知的高压装置及相关方法具有昂贵部件，该昂贵部件的有效寿命有限且可用反应体积有限。例如，典型的带式装置包括一个带状或环形内模以及形成于所述内模周围的充当支架的同心金属环。美国专利第2,947,610号和第3,031,269号中描述了带式装置的早期实例，这些专利以引用的方式并入本文。一对砧体的形状相适于模口的末端。因而，主要的压缩源为该对砧体，这样可基本上缩短反应体积的长度且因此增加放置于其中的材料上的压力。与利用伸缩式砧体而无冲模的典型立方和四面体压力机相比，由于冲模的使用，带式装置可在相对较大的反应体积内实现超高压。不幸的是，冲模通常是由烧结碳化钨和同心金属环形成，其中烧结碳化钨和同心金属环极难制造并且成本相当高。具体地说，冲模和同心环是通过高度精确的干涉配合进行装配。此外，很难以高度一致性烧结较大冲模，此通常导致形成结构上较弱的局部化区域。此外，冲模材料通常为例如碳化钨等金属碳化物，其具有极高的抗压强度，但是具有相对较低的抗张强度。因此，由于在推进该对砧体时，冲模和同心环的膨胀所引起而沿冲模圆周产生的极高环向拉力，这些昂贵的冲模经常破裂且失效。
用于实现超高压的其它方法包括利用多个推进砧体来冲压样品的立方和四面体压力机。美国专利第3,159,876号中描述了一种这样的设备，该专利以引用的方式并入本文。可将立方体压力机和带式装置用于钻石合成。但是，立方体压力机的反应体积比带式装置的稍小。
因此，在高压设备和晶体生长领域，可克服上述困难的装置和方法是显著的进步。
发明内容
本发明人认为，研发一种可实现较大生产量、较低生产成本且具有较长有效冲模寿命的设备将是有利的。
在一方面，本发明通过提供一种包括多个互补式组合模模组的高压装置可解决前述的问题。
所述组合模模组可具有多个内表面，在装配这些组合模模组时，所述内表面的形状可形成一模腔。可对一对砧体进行定位，使得在模腔的每一端均具有一个砧体。所述砧体可被定位为大体上沿模腔的纵轴向该模腔施力。通常，这些砧体可向着彼此运动以缩短该模腔。为了防止砧体的运动导致组合模模组被分开，可将施力构件连接至组合模模组。施力构件可向组合模模组施加离散力，由该对砧体施力期间，这些离散力足以保持组合模模组相对于彼此处于大体上固定位置。
一方面，所述模腔可具有许多种形状。例如，所述模腔可具有一个在两端各有一锥形区域的中心体积。该中心体积可为圆柱形、矩形或类似形状。锥形区域可为渐进式锥形或者可为外向平锥。
另一方面，模腔可由大量组合模模组形成。所述高压装置可包括二到十个互补式组合模模组。在当前优选的两个实施例中，高压装置可具有二到四个互补式组合模模组。
另一方面，所述组合模模组可具有连接到支撑构件的外表面。该支撑构件也可与施力构件相连接，该施力构件有助于保持组合模模组为一整体。
又一方面，施力构件可为处于单轴压力下的成对压板。
另一方面，所述支撑构件可具有一向内凹陷的外表面。支撑构件的凹陷表面可减小组合模模组中的伸张应力。
另一方面，支撑构件和组合模模组可具有接触表面，这些接触表面凹陷以控制沿接触表面的压力分布。同样的，衬垫材料可凹陷以对应于接触表面的轮廓。
根据本发明，向高压总成施加高压的方法可包括装配多个组合模模组以形成一个能够维持该高压总成的模腔。随后，可向高压总成施加力量以在反应体积内提供高压。
在施力期间，使用多个离散力可使所述组合模模组相对于彼此保持在大体上固定位置。离散力通常相交于一公共点，并且作用于大体上垂直于所述腔轴的公共面内。或者，可使用连杆来保持或对准所述组合模模组。可将这些连杆与相应的支撑构件连接。
本发明的方法可在反应体积内提供超高压。可在预定时间内保持从约2GPa到约6GPa的超高压。通常，压力可保持若干秒到超过24小时。
本发明人还研发一种方法和设备可使例如钻石、cBN、硬玉、石榴石和其它高压晶体等具有较大生产量、较低生产成本以及更佳的品质。此外，本文描述了可实现对种晶的个别温度控制的装置和方法，这些种晶中的每一个被定位以便提供最佳的生长条件。
根据本发明，高压系统可包括至少一个高压装置。所述高压装置可包括多个可形成高压容积的压力构件。此外，该高压装置包括至少一个可被放置入该高压容积内的高压反应总成。所述反应总成可包括一催化剂层、至少一种晶以及一原料层，以便形成至少一个生长单元。通常可通过催化剂材料来分离种晶和原料，从而可在生长单元内保持一温度梯度。原料层可被配置为允许原料沿整体原料扩散方向扩散入催化剂层。此外，在施加高压期间，该反应总成可被定位于大体垂直于重力的方向上。以此方式定位该反应总成可避免重力对熔融催化剂的有害影响，例如对流，因此增加生长高品质晶体可利用的体积。
另一方面，该反应总成可包括多个生长单元。所述多个生长单元可共享一公共原料层。此外，每个生长单元可具有大体上垂直于重力且大体上彼此共线的整体原料扩散方向。
另一方面，可将多个反应总成串联定位于所述高压容积内。
又一方面，所述高压系统可包括多个串联或并联定位的高压装置。可使用多种设备来实现高压，例如组合模设备、活塞汽缸压力机、环带设备、皮带设备、四面体压力机、立方体压力机、环形设备及其它类似设备。在一个优选实施例中，可使用组合模设备实现所述压力。
又一方面，多个组合模设备可被串联定位并且共享至少一个公共砧体。同样地，可将多个组合模设备并联定位，从而使这些组合模设备共享公共施力构件。
另一方面，可使用本文所描述高压系统在高压下生长晶体。视情况可定位所述高压装置使得所述腔轴大体上垂直于重力。可将至少部份的高压反应总成放置在该高压容积内，从而使装配轴大体上垂直于重力而定位。随后可大体上沿该腔轴向该反应总成施加一压制力，所述压制力足以在该反应总成内提供高压。
本发明可配置所述生长单元以用于例如钻石、cBN或其它高压材料等晶体的高压生长。
本发明可有效控制所述多个生长单元内的温度分布，使得每个种晶具有低于相应原料的温度。为了利于对生长单元内的温度分布作有效控制，可置放加热及冷却组件以使其与原料层及/或种晶热接触。
本发明对温度分布的有效控制以及本发明的反应总成可实现经改良的用于高品质晶体的生长条件。因而，本发明的装置和方法得以用高品质和经改良的生产能力来生长宝石级钻石。视特定材料和生长条件而定(例如周期时间)，宝石级钻石的重量可为约0.25克拉到约25克拉。
如此较为广泛地概述了本发明的各个特点，从而可更佳地理解下文对本发明的详细描述，且因此可更佳地理解本发明对此技术领域的贡献。从下文对本发明的详细描述和相应的附图，结合附加的权利要求书，可易于了解本发明的其它特点和优势，或者可通过实施本发明而习得这些其它特点和优势。
图1为根据本发明一实施例的具有两个生长单元和单个反应总成的高压系统的横截面图。
图2为根据本发明一实施例的具有串联定位的四个生长单元和两个反应总成的高压系统的横截面图。
图3为根据本发明另一实施例的具有串联定位的六个生长单元和三个反应总成的高压系统的横截面图。
图4为根据本发明一实施例的高压组合模装置的横截面图。
图5A为根据本发明一实施例的两个组合模模组和相应支撑构件的立体图。
图5B为经装配以形成一模腔的图5A的组合模模组的立体图。
图6A为根据本发明一实施例的四个组合模模组和相应支撑构件的立体图。
图6B为经装配以形成一模腔的图6A的组合模模组的立体图。
图7A为根据本发明一实施例的四个组合模模组的立体图。
图7B为经装配以形成一模腔的图7A的组合模模组的立体图。
图8A为根据本发明另一实施例的两个组合模模组和相应支撑构件的立体图。
图8B为经装配以形成一模腔的图8A的组合模模组的立体图。
图9为根据本发明一实施例的安装在两个支撑构件上的四个组合模模组的侧视图。
图10为具有两个组合模模组以及安装于其中的相应支撑构件的轴向压力机的侧视图。
图11为根据本发明一实施例的凹陷支撑构件的顶视图。
图12为根据本发明一实施例的具有一凹陷接触表面的支撑构件和组合模模组的一部分的顶视图。
图13为根据本发明一实施例的具有共享一个砧体的两个串联高压装置的高压系统的横截面图。
图14为根据本发明一实施例的具有共享公共离散力的两个并联高压装置的高压系统的横截面图。
图15为根据本发明一实施例的具有多个并联定位的高压装置的高压系统的立体图。
上述附图仅用于说明性目的且并非总是按比例绘制。因而，在不背离本发明的范畴的状况下，所说明的尺寸和比例可发生变化。
具体实施例方式
现将参照附图中详细说明的例示性实施例，且本文中将使用特定语言对其进行描述。但是应理解，这些例示性实施例并非用于限制本发明的范围。熟习相关领域的技术人员将了解，可对如本文中所说明的对本发明的特点、工序及材料的改造及进一步的修改，并可对本文中所说明的本发明原理做其它应用，但所有这些仍将属于本发明的范围。还应理解，本文所采用的术语仅用于描述特定的实施例而非用于限制目的。
A.定义在描述本发明并主张其权力时，将使用下列术语除非上下文清晰地另外指出，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指示物。因此，举例而言，对“一个种晶”的引用包括对一或多个此种材料的引用，而对“一个高压装置”的引用包括对一或多个此种设备的引用。
如本文中所使用，“砧体”表示任何能够至少部分地进入模腔且足以增加反应体积内的压力的实体。熟悉本领域的技术人员将能认识到可用于此类砧体的各种形状和材料。通常，砧体具有截头圆锥体形状。
如本文中所使用，当结合组合模模组使用时，“互补式”表示可配合以便形成特定反应体积构造的部件。组合模模组通过成形且配置以便在高压下结合在一起而彼此“互补”从而形成开放式模腔，其中接触表面之间具有最小间隙或不具有间隙。通常可配置互补式组合模模组从而允许在接触表面之间放置衬垫或其它材料以便改善反应体积的密封程度。因此，互补式组合模模组无需且通常不会直接实体接触且可包括中间材料。
如本文中所使用，“离散力”表示力的向量，其可具有一可识别的来源且与单个力的向量相关，而与作用于主体上的某些随机力的总和情况相反，例如围绕一主体的气体或液体。
如本文中所使用，“高压容积”和“反应体积”可互换使用，并且表示模腔的至少一部分在何种条件下，可保持在足以对放置在其中的材料进行有效试验和/或生长的高压，例如，反应体积通常可包括所装载的原料，即用于合成和生长晶体的成份原料和催化剂材料。可在至少部分地放置在该模腔中的高压总成内形成反应体积。
如本文中所使用，“高压总成”和“反应总成”可互换使用并且表示将经受高压的材料总成。在大多数情况下，可将这些材料放置入至少部分地由压力介质及/或衬垫总成包围的反应体积内。但是，熟悉本领域的技术人员将认识到高压总成几乎可由任何材料形成，只要其随后可经受用于例如化学反应、晶体生长、高压性能测量等等这些目的的高压。已知存在多种高压总成，且其可用于本发明。这些高压总成还可包括惰性衬垫、分离器或其它可改善HPHT条件的材料。
如本文中所使用，“高压”表示高于约1MPa且较佳高于约200Mpa的压力。
如本文中所使用，“超高压”表示从约1GPa到约15GPa且较佳从约4GPa到约7GPa的压力。
如本文中所使用，“合金”表示固溶体或金属与第二材料的液体混合物，所述第二材料可为非金属(例如碳等)、金属或者可增强或改善金属性能的合金。
如本文中所使用，“种晶”表示天然或合成钻石、超硬结晶或多结晶物质，或这些物质的混合物，并且包括但非局限于钻石、多结晶钻石(PCD)、立方氮化硼、碳化硅(SiC)等等。可将种晶用作生长较大晶体的起始材料，从而有助于避免晶体的随机成核和生长。
如本文中所使用，“生长单元”表示通过催化剂层分离的种晶和原料的组合。在本发明的上下文中，此通常表示被配置成用于温度梯度受控生长的生长单元；但是，也可使用用于等温生长或其它晶体生长方法的生长单元配置。
如本文中所使用，“原料”表示可用于形成晶体的材料。具体地说，原料为可提供用于晶体生长的成份的材料源，例如碳，六角形氮化硼(hBN)等。
如本文中所使用，“超级磨料”表示钻石或立方氮化硼(cBN)颗粒，包括钻石和立方氮化硼(cBN)的烧结多结晶形式。
如本文中所使用，“前体”表示种晶、催化剂材料和原料的组合。前体描述了晶体或钻石生长过程之前的此组合，即“未烧试样”。
如本文中所使用，“内含物”表示非钻石材料在生长晶体中的截留(entrapment)。通常，内含物为被封入快速生长条件下的晶体内的催化剂金属。或者，内含物可为在钻石晶体生长表面与周围材料之间的接口处形成的最终碳沉积，而非钻石。一般而言，内含物通常是由大量碳在钻石生长表面处的存在及/或对HPHT生长期间的温度和压力条件的不当控制而形成。
如本文中所使用，“自形”表示自发的或者具有含由于晶面的无阻碍生长而产生的天然结晶面而未改变的天然形状。
如本文中所使用，“接触”表示两种材料之间的实体密切接触。例如，可放置种晶以使其与催化剂层“接触”。因而，种晶可与催化剂层的表面接触、部分嵌入其中或者完全嵌入催化剂层中。
如本文中所使用，“热接触”表示材料之间的接近，其允许热从一种材料传递到另一种材料。因此，热接触不需要两种材料直接实体接触。可选择具有各种导热性的材料，从而视需要增强或阻碍材料之间的热接触。
如本文中所使用，“整体”表示平均或集体特性。例如，整体扩散方向将指示溶解材料的平均扩散方向，而不管扩散方向的局部波动及/或单个原子的扩散速率。
如本文中所使用，“腔轴”表示大体上沿模腔空间的中心且通常平行于整体扩散方向或温度梯度的轴，在厚膜制程条件下的晶体生长，晶体在所述整体扩散方向或温度梯度上扩散。
如本文中所使用，“宝石级”表示当通过肉眼观察时无可见不规则性(例如内含物、缺点等)的晶体。根据本发明而生长的晶体显示出与适用于珠宝的天然晶体相当的宝石品质。
如本文中所使用，“大体上不含”或类似术语表示组合物中缺乏所标识的元素或试剂。特定而言，被识别为“大体上不含”的元素在组合物中完全不存在，或者所含的量小到对组合物无可测量的影响。
本文中可以范围形式表示浓度、量以及其它数值资料。应理解，此范围形式仅用于便利和简洁目的，并且应灵活地理解为不仅包括明确引用的作为范围界限的数值，还包括所述范围所涵盖的单个数值或其子范围，就如同明确引用所述各个数值和子范围一般。
例如，约1至约4.5的数值范围应被理解为不仅包括明确引用的界限约1至约4.5，而且还包括例如2、3、4等单个数值以及例如1至3、2至4等子范围。相同的原理应用于仅引用一个数值的范围，例如“小于约4.5”，其应理解为包括所有上文引用的值和范围。此外，应该应用此理解而不管范围的宽度或所描述的特征。
B.本发明现将参照附图，其中本发明的各种组件将被给定数字标识且将在这些附图中对本发明进行描述。应理解，下列描述仅举例说明了本发明的原理而不应看作缩小附加的权利要求书的范围。
现参照图1，一个高压装置200，其具有多个压力构件202、204、206及208。尽管可使用任何能够达到本文所述的压力和温度的高压设备，但是图1说明了一个环带式高压组合模装置。将结合下文的一个替代性实施例对此类设备进行更为详细的描述。该高压装置可被配置成用于形成一个高压容积。
高压反应总成210可被配置成放置在高压容积内。反应总成通常可包括用于从种晶生长成晶体的材料。在一方面，适用于反应总成的材料可包括至少一种晶、一催化剂层和一原料层。所述材料可被配置成用于温度梯度控制的晶体生长。因而，可通过催化剂层将种晶与原料层分离，从而形成生长单元。
在图1的实施例中，反应总成210包括第一催化剂层212，其具有一晶体生长表面214和一原料流出表面216。取决于所需的生长晶体，所述催化剂层可由任何适合的催化剂材料形成。适用于钻石合成的催化剂材料可包括金属催化剂粉末、包含任何金属或合金的实心层或实心板，其包括能够促进从碳源材料生长钻石的碳溶剂。适合的金属催化剂材料的非限制性实例可包括铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)及其合金。多种共享金属催化剂合金可包括镍铁合金(Fe-Ni)，例如殷钢(INVAR)合金、钴铁合金(Fe-Co)、钴锰镍合金(Ni-Mn-Co)及其类似物。当前优选的金属催化剂材料为镍铁(Fe-Ni)合金，例如35％镍的镍铁合金(Fe-35Ni)、5％钴及31％镍的钴镍铁合金(Fe-31Ni-5Co)、50％镍的镍铁合金(Fe-50Ni)以及其它INVAR合金，其中35％镍的镍铁合金(Fe-35Ni)最佳且易于获得。替代地，催化剂层可由不同材料的迭层形成，从而产生多层催化剂层或者在催化剂层内提供由不同材料形成的区域。举例而言，可对镍和铁板或压实粉末进行分层以便形成多层镍铁合金(Fe-Ni)催化剂层。此类多层催化剂层可减小成本及/或可通过减缓或增加给定温度下的起始生长速度而用于控制生长条件。此外，钻石合成下的催化剂材料可包括用于控制钻石的生长速率及/或杂质含量的添加剂，即，通过抑制碳扩散，防止过量氮及/或氧扩散入钻石或者影响晶体颜色。适合的添加剂可包括镁(Mg)、钙(Ca)、硅(Si)、钼(Mo)、锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、锌(Zn)、钇(Y)、钨(W)、铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、铅(Pb)、硼(B)、锗(Ge)、铟(In)、钐(Sm)以及这些材料与碳(C)和硼(B)的化合物。
类似地，适用于立方氮化硼(cBN)合成的催化剂材料可包括能够促进从适合的氮化硼原料生长立方氮化硼(cBN)的任何催化剂。适用于立方氮化硼(cBN)生长的催化剂材料的非限制性实例包括碱金属、碱土金属及其化合物。此类催化剂材料的若干特定实例可包括锂、钙、镁以及碱金属和碱土金属的氮化物，例如氮化锂(Li3N)、氮化钙(Ca3N2)、氮化镁(Mg3N2)、二氮硼化钙(CaBN2)和二氮硼化锂(Li3BN2)。立方氮化硼(cBN)合成下的催化剂材料还可包括极少量的添加剂，其控制cBN晶体的生长速率或内部颜色，例如硅(Si)、钼(Mo)、锆(Zr)、钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、铅(Pb)、锡(Sn)、硼(B)、碳(C)以及这些材料与硅(Si)、硼(B)和氮(N)的化合物。
催化剂层212可为任何适合的尺寸，其允许原料扩散入催化剂层并且维持温度梯度。通常，催化剂层的厚度可为从约1mm到约20mm。但是，取决于所需的生长速率、温度梯度的幅度等，也可使用此范围之外的厚度。
至少一个种晶218可与催化剂层212接触。例如图1中所示，可放置种晶以使其从位于催化剂层外部的位置接触催化剂层的晶体生长表面214。或者，可将种晶的部分或全部放置在催化剂层内。与催化剂层接触的种晶的数量可从1变化到任何特定数量。当然，与催化剂层接触的种晶的数量可为可用面积、种晶尺寸、最终所需的晶体尺寸和径向(即垂直于下文所述的整体扩散方向)温度梯度的函数。在具体实施例中，单个晶体颗粒可与每个生长单元的催化剂层相接触。
种晶可为其上可生长钻石或立方氮化硼(cBN)的任何适合的种晶材料。在本发明中，种晶可为钻石种晶、立方氮化硼(cBN)种晶或碳化硅(SiC)种晶。钻石或立方氮化硼(cBN)的合成可利用所列举的具有类似晶体结构的种晶中的任何一个。通常，钻石种晶为用于钻石合成的优选种晶，但是也可使用立方氮化硼(cBN)或碳化硅(SiC)种晶。类似地，在立方氮化硼(cBN)合成的一些实施例中，可使用立方氮化硼(cBN)种晶，但是也可使用钻石或碳化硅(SiC)种晶。或者，种晶可为多结晶或多粒状，从而可将多个较小晶体结合在一起以便形成各个种晶。
通常，种晶的直径为约30μm到约1mm，且优选为约50μm到约500μm。然而，本发明可用于生长几乎任何尺寸的种晶。允许较大种晶还可减少生产较大宝石品质的晶体所需的生长时间。具体地说，尽管也可有效地使用上述范围内的种晶，但是适用于本发明的钻石种晶可大于典型的钻石种晶，即约200μm到约500μm。但是，在一些实施例中，可能需要较小的钻石种晶。具体地说，从相对较大的种晶所生长的最终晶体，可在原始种晶与生长晶体体积之间显示可辨别的接口。相反，较小种晶产生的最终晶体，可在原始种晶与生长晶体之间具有模糊或大体上已消除的接口。
在一个替代实施例中，种晶和催化剂层可通过一个隔层而分离。在一些情况下，尤其在晶体合成的开始阶段，在催化剂层的成份充分饱和以便开始生长晶体之前，成份不足的熔融催化剂层可完全溶解种晶。尤其对于较小种晶，为了减小或防止种晶的过度溶解，可在种晶和催化剂材料之间放置一个薄隔层。例如，所述隔层可呈围绕种晶的涂层的形式，或者可为沿生长表面的层以提供针对催化剂材料的临时障壁。隔层可由熔点高于催化剂材料的熔点的任何金属或合金材料形成。举例而言包括铂。因此，隔层可保存种晶直到催化剂层饱和(或大体上饱和)成份材料。可调整隔层的厚度和组成，从而使该隔层可被移除(即，溶解)或者以其它方式变成非障壁，因此，一旦催化剂层内溶入催化剂层的成份材料足够，则可发生种晶生长。
在一实施例中，可放置支撑层226以使其与催化剂层212的晶体生长表面214相接触。支撑层可由不会干扰晶体生长的任何材料形成。在一些情况下，支撑层可允许原料扩散入其中。适用于支撑层的材料的非限制性实例包括氯化钠(NaCl)、白云石、滑石、叶腊石、金属氧化物及其类似物。在种晶218与生长表面接触的实施例中，支撑层可至少部分地围绕该种晶。
原料层220可邻近第一催化剂层212的原料流出表面216。原料层可被配置成提供用于从种晶成长例如钻石或立方氮化硼(cBN)等所需晶体的原料源。具体地说，可将碳源作为用于钻石生长的原料，而将例如六角形氮化硼(hBN)(白石墨)氮化硼或热解氮化硼(pBN)等低压相用作立方氮化硼(cBN)生长的原料。在钻石生长条件，碳源层可包含例如石墨、无定形碳、钻石粉末及其类似物的碳源材料。在本发明中，碳源层可包含高纯度石墨。尽管可使用各种碳源材料，但是石墨通常可提供良好的晶体生长并且可改善所生长的钻石的均质性。此外，低电阻石墨也可提供同样易于转化为钻石的碳源材料。但是，应考虑与石墨转化为钻石后相关的体积减小，即能够补偿该体积减小的高压装置的设计。举例而言，衬垫材料的硬化装置以及增加内部摩擦力的装置等可倾向于限制补偿体积减小的程度。因此，通常会遭遇一些压力衰减。
为了使此影响降到最低程度，可将钻石粉末用作原料，借此增加可保持最佳压力条件的时间。
当将石墨用作碳源时，由于石墨转化为钻石引起的体积减小可能引起压力衰减。减小此问题的一个可选方式为设计模腔和相应的砧体，使得砧体可继续推进以补偿体积减小并且保持所要的压力，例如在模腔的入口内形成较陡的喉角。例如，将具有一较陡喉角的图1与具有一浅喉角的图4进行比较。如前述，尽管成本较高，但是使用钻石粉末作为原料可减少体积减小的程度，并且还可提供高纯度碳源。
可装配本发明的高压反应总成以使其具有复数个大体上沿一装配轴对准的晶体生长单元。每个生长单元可包括一种晶、一催化剂层和一原料层。可将高压反应总成至少部分地放置在所述高压容积内，使得装配轴天体上垂直于重力而定位，即通常大体上平行于腔轴。或者，腔轴可大体上平行于重力并且大体上垂直于装配轴。
原料层220可被配置成允许原料沿整体原料扩散方向222扩散入催化剂层212。在施加高压期间，整体原料扩散方向可被定位于大体上垂直于重力224。以此方式定位反应总成可大体上消除反应总成内的重力影响，此重力影响导致通常竖直的反应总成的上部分产生不良品质的晶体。具体地说，当整体扩散方向为水平时，熔融催化剂的对流可增加原料的扩散。经加热的原料的快速上升加速了上部分的晶体生长，使其足以截留催化剂金属并且形成其它内含物，从而导致不良品质的晶体。尽管扩散的速率和方向可受到例如温度、催化剂纯度、催化剂层密度、种晶生长(其可扰乱原料的局部通量)等各种变量的影响，但是原料通常向着生长表面214扩散。在较佳实施例中，可配置该反应总成以便用于温度梯度受控生长。
本发明的高压装置还可包括额外的材料，例如衬垫、分离器及其类似物。例如，图1所示可填充组合模模组与砧体之间的空间的衬垫328。视情况，可将锥形金属壳330放置在衬垫层之间，从而在使用相对较厚的衬垫时有助于保持衬垫区域中的压力梯度。此外，较厚的衬垫可允许较大的砧体冲程以便补偿晶体生长过程中的压力衰减。取决于所需的体积减小和反应单元的设计，在金属和衬垫材料的同心层中可包括额外的锥形金属壳。可使用铜填隙片332来减小砧体202和204表面上的应力，同时还可防止由于从衬垫材料泄漏出挥发物所导致的腐蚀。可将钢环334放置在反应总成210的各端以便将电流传送到石墨加热管(若使用)。可使用延缓热传递的含分散氧化铁的红盐(亚铜盐)。或者，可添加氧化锆或其它材料以便促进绝缘性。也可将高电阻石墨用作通过电阻加热的加热组件。
另一方面，反应总成可包括多个生长单元。额外的生长单元可共享公共的原料层及/或公共支撑层。举例而言，图1说明具有两个生长单元228和230的反应总成210。生长单元230可包括一个第二催化剂层232，其具有一个生长表面236和一个原料流出表面234。可放置至少一个种晶238以使其接触第二催化剂层。原料流出表面234可邻近与第一催化剂层212相对的原料层220。因而，原料的一部分可沿第二整体原料扩散方向240扩散入第二催化剂层。
在本发明的一实施例中，可将多个反应总成放置在所述高压容积内。通常，可将反应总成串联定位，使得每个生长单元的整体扩散方向大体上彼此平行并且平行于腔轴。此外，反应总成可共享多个共同层，例如支撑层，或者可透过一障壁层进行分离。图2说明一具有两个反应总成242和244的实施例。这些反应总成以串联构造彼此邻近并且共享一公共支撑层246。
或者结合图2的实施例，可将多个反应总成串联定位在高压容积内，其中在反应总成之间具有一障壁层。图3说明具有三个反应总成248、250和252的实施例，其中这些反应总成通过障壁层254和256进行分离。障壁层可为适用于高压应用并且不会干涉晶体生长的任何材料，例如钢板、白云石等等。在生长期间，随着砧体推进，可允许障壁层沿腔轴轻微移动以便补偿所出现的任何体积减小。
任何额外的生长单元(不论是否处于相同或独立的反应总成内)可具有大体上相同的温度梯度和材料，从而使生长的晶体具有大体上相同的生长速度和品质，即原料在各个生长单元内的扩散速率大体上相同。或者，每个生长单元可具有不同的材料，例如立方氮化硼(cBN)和钻石，及/或具有可导致不同生长速度的不同的温度梯度。
根据本发明，所述的多个压力构件可由任何数量的高压设备提供。适合的高压设备的若干非限制性实例可包括组合模设备、活塞汽缸压力机、环带设备、皮带设备、四面体压力机、立方体压力机和环形设备。带式装置可具有弯曲截头圆锥砧体，其具有类似于图4中所示的弯曲模孔。同样地，环带式设备类似于皮带设备；但是，砧体为具有相应模腔的平面截头圆锥体，所述模腔具有如图1中所示的平头圆锥。在较佳实施例中，由下文所述的组合模设备提供所述压力构件。
根据本发明，高压组合模设备可包括多个互补式组合模模组。本发明的组合模模组可经装配以形成一模腔。所述模腔可至少部分地填充有一高压总成，该高压总成含有将经受高压的材料。可定位一对砧体使得模腔的每一端具有一砧体。随后，砧体可向着彼此移动，从而压缩该高压总成并且向其施力。此外，将多个施力构件可操作地连接至所述多个组合模模组，以便在由该对砧体施力期间将这些组合模模组相对于彼此保持在大体上固定位置。此构造的优点在于组合模模组在冲模圆周上不会经受与标准单块带式冲模相同的环向拉力。
现参照图4，通常高压组合模设备10可包括多个互补式组合模模组12和14。每个组合模模组可具有一内表面16和一外表面18。组合模模组可于装配形成具有一模腔20的冲模，所述模腔20能够容纳一高压总成，例如前述反应总成。模腔20可具有一大体上沿模腔中心的腔轴26。
模腔20可为各种形状。图4说明具有一圆柱形的模腔，所述圆柱形具有向外渐缩的末端。所述锥形部分渐缩以便形成向外弯曲的表面；但是，锥形部分也可为平坦的，如图1、5A和7A中所示。或者，模腔也可为直筒形而无锥形部分。当然，模腔也可为不具有圆柱形部分的形状，其中类似于典型的带式冲模，处于任一端的锥形部分包含整个模腔体积。通常，在此实施例中，模腔的长度为最小模腔直径的约0.5至约10倍。无论模腔构造如何，模腔的长度可为最小模腔直径的约0.5至约15倍。在一些实施例中，模腔的长度可为最小模腔直径的约1至约10倍。更具体地说，在具有多个生长单元及/或反应总成的实施例中，长度可更大，并且在一些实施例中，程度可为最小模腔直径的约2至约10倍，或者为约3至约10倍。此外，模腔的反应体积可为约1cm3到约1000cm3，且优选为约5cm3到约500cm3。
也可使用其它模腔构造，并且认为其属于本发明的范畴内。模腔可具有一个大体上连续的内部表面，从而在装配组合模模组时，单个模腔延伸穿过该装配组合模模组。较佳实施例中，组合模模组的形状使得邻近表面齐平，并且在以相应的衬垫进行装配时，其之间大体上无间隙。
所述多个组合模模组的内表面可被配置成用于形成具有预定横截面的模腔。具体而言，内表面可为(但是非局限于)弓形、平面或曲面。例如，在装配时，弓形内表面可形成具有一圆形横截面的模腔。同样地，在装配时，取决于组合模模组的数量，平坦内表面可形成具有三角形、正方形、五边形等横截面的模腔。
根据本发明，互补式组合模模组的数量可从两个变化到任何特定数量。本发明的高压装置可包括两到十个互补式组合模模组。随着组合模模组数量的增加，每个组合模模组的相对尺寸减小。因此，与单块式冲模或更大的组合模模组相比，每个组合模模组可被烧结成具有较高的均质度且较少的局部化结构弱点。但是，较大数量的组合模模组也增加装置的复杂性和维护成本，如下文将结合更大数量和复杂性的支撑构件和压力机进行更为详细地描述。通常，组合模模组的数量可为两个到四个。在一实施例中，高压装置可包括两个互补式组合模模组。在另一实施例中，高压装置可包含四个互补式组合模模组。
组合模模组可由任何具有高抗压强度的硬质材料形成。适用于形成本发明组合模模组的硬质材料的实例包括，但非局限于，烧结碳化钨、氧化铝、氮化硅、二氧化锆、硬化钢、超合金(即钻、镍和铁基合金)等等。在一个优选实施例中，组合模模组可由烧结碳化钨形成。优选的烧结碳化钨可由亚微米碳化钨颗粒形成并且钴含量为约6wt％。熟悉本领域的普通技术人员将了解适用于这些高压设备的其它材料。
再次参照图4，外表面18可分别连接到各个支撑构件21和23。外表面可为任何构造，例如平面或曲面；但是，外表面通常可为平坦的。或者，外表面可具有一凸状曲面，其将所施加的应力的一部分向外表面的中心部分传递并且减少沿组合模模组12和14外部的张应力。在本发明的高压装置中，支撑构件是可选的。但是，通常提供支撑构件以保护和加固较为昂贵的组合模模组。每个组合模模组典型地可具有一个相应的支撑构件。或者，可将两个或两个以上组合模模组连接到单个支撑构件。支撑构件可由任何硬质材料形成。适合的硬质材料的非限制性实例包括钢、硬化钢、金属碳化物、陶瓷和合金或其组合物。支撑构件通常为硬化钢。通过离散力17和19，可将图4的组合模模组12和14相对于彼此大体上保持在固定位置。在大多数情况下，可通过例如叶腊石或滑石等薄衬垫材料将组合模模组和支撑构件分离。衬垫材料可在表面之间提供经改良的密封并且有助于避免由于两个硬质材料直接接触所产生的局部压力尖锋。
图5A至10说明了本发明的组合模的若干构造。图5A展示一组两个互补式组合模模组22和24，每个组合模模组分别与独立的支撑构件21和23啮合。可如图5B中所示装配组合模模组以便形成模腔20a。图5B中所示的模腔具有一个圆柱形部分和位于所述圆柱形部分两端的平头圆锥形部分。可向支撑构件施加力27和29以便将组合模模组保持在一起。在组合模模组与支撑构件的接触表面之间也可包括一衬垫25。所述衬垫可在表面之间提供一个密封层，以便实现电绝缘及/或绝热。衬垫通常可由已知材料形成，例如但非局限于滑石、叶腊石及其类似物。可添加例如石英和氧化锆等额外的材料以便调整所述衬垫的各种机械及/或热性质。
图6A展示一组四个互补式组合模模组32、34、36和38，每一个组合模模组分别与独立的支撑构件31、33、35和37啮合。可如图6B中所示装配这些组合模模组，从而形成模腔20b。图6B中所示的模腔具有一个圆柱形部分和位于所述圆柱形部分各端的平头圆锥形部分。可向四个支撑构件中的每一个施加力以便将所述组合模模组保持在一起。在组合模模组与支撑构件的接触表面之间可包括一衬垫25a。此外，如本领域中所熟知，可将衬垫25b放置入模腔内。
如图7A所示一组四个互补式组合模模组42、44、46和48，其中不具有连接的支撑构件。因而，在本发明中，可使用无支撑构件的组合模模组，或者所述组合模模组和支撑构件可成型为一体。可如图7B所示来装配组合模模组，从而形成模腔20c。图7B所示的模腔具有一矩形容积和位于所述矩形容积各端的平头圆锥形部分。可向四个组合模模组中的每一个施力以便将其保持在一起，并且在砧体用于沿模腔的腔轴施加压力时，将这些组合模模组保持固定。在接触表面之间以及模腔与高压总成的表面之间也可包括一衬垫25c。
图8A展示一组两个互补式组合模模组51和52，其中每个组合模模组分别被弓形支撑构件53至58包围。可如图8B所示装配组合模模组，从而形成模腔20d。图6B中所示的模腔具有一个圆柱形部分和位于所述圆柱形部分各端的平头圆锥形部分，该平头圆锥形部分的锥角小于图8A中所示的锥角。可向各个支撑构件施力以便将组合模模组保持在一起。在组合模模组与支撑构件的接触表面也可设一衬垫25d。此外，可将两套筒59和60分别放置在组合模模组51和52与支撑构件53和56之间。
同样地，可将一组三个互补式组合模模组中的每一个模组连接到独立的支撑构件。所述组合模模组可经装配以形成一模腔。可如本文中所述构造对该模腔进行定形。可向三个支撑构件中的每一个施力，从而将这些组合模模组保持在一起。在组合模模组和支撑构件的接触表面之间也可包括一衬垫。此外，如本领域中所熟知，可将一个衬垫放置入该模腔。
图9说明了图6A和6B的四个组合模模组和相应支撑构件，从而将两个组合模模组连接到两个次级支撑构件68和70。所述每一支撑构件具有一个与组合模模组接触的倾斜表面，从而可将压制力大体上分成针对于每个组合模模组的压制力。
上述讨论主要集中于沿大体上平行于腔轴的表面分裂的组合模模组，其中所述腔轴是沿模腔的中心。但是，在本发明的另一实施例中，几乎可藉由任何构造对所述组合模模组进行分裂。举例而言，可沿垂直于腔轴的平面对所述组合模模组进行分裂。图2展示了放置在组合模模组318和320之间的衬垫316以及放置在组合模模组324和326之间的衬垫322，这些衬垫具有垂直于腔轴的裂口。在这种情况下，不将组合模模组稳固地固定到各自的支撑构件312和314，而是允许其在砧体推进时沿腔轴轻微移动。垂直于腔轴分裂模腔的组合模模组可允许增加模腔的长度，且因此增加高压反应体积。根据本发明的若干实施例，增加模腔的长度可实现额外的生长单元及/或反应总成。此外，在装配、清洁设备或更换失效组合模模组期间，垂直裂口可改善反应体积的入口。此外，垂直裂口可允许用于温度监控的热电偶方便的插入。如前述，通过允许较小的烧结质量和减少非均质烧结，组合模的划分还可减少组合模模组的生产成本。
再次参照图4，可定位一对砧体70和72，使得模腔20的各端具有一个砧体。通过砧体向着彼此运动而缩短冲模体积，所述砧体可被配置成大体上沿腔轴施加压制力13和15。在大多数情况下，可将一个高压总成放置入该模腔，从而在自砧体施力期间，所述反应体积将经受高压。高压总成可含有将经受高压的材料，例如钻石种晶、石墨、催化剂、立方氮化硼(cBN)种晶、六角形氮化硼(hBN)及其类似物。通常，高压总成可包括金属铜涂层、衬垫材料、石墨加热管、电阻器等等。熟悉本领域的技术人员将了解可用于高压下的反应和实验的其它高压总成组合和构造。
所示砧体70和72为具有截头圆锥体部分的块状物质，其中所述截头圆锥体部分的形状可配合进入模腔20的末端。结合本发明，适合的砧体形状也可包括但非局限于截头金字塔形、活塞及其类似物。举例而言，可将截头金字塔形砧体有效用于例如图7B所示的模腔20c等模腔。截头圆锥体部分可具有平坦表面(如图4中所示)或弯曲表面(如图1中所示)。尽管可使用其它材料，但是砧体可由任何适合的硬质材料形成，并且通常是由烧结碳化钨(例如约4％的钴)形成。
在砧体推进时，放置入模腔的材料倾向于克服组合模模组迅速向外膨胀。为了防止组合模模组向外运动，可将多个施力构件可操作地连接至所述多个组合模模组。所述施力构件可被配置成向组合模模组施加多个离散力，在一些状况下，通过支撑构件施加这些离散力。在由该对砧体施力期间，所述离散力应足以将所述多个组合模模组相对于彼此保持在大体上固定位置。可允许组合模模组产生一些最小运动；但是，显著的运动可迫使过量材料进入组合模模组之间的空间。更重要的是，若允许组合模模组发生显著运动，则可减少反应体积内的压力。如图4中可见，砧体进入模腔的距离通常有限。因此，当允许组合模模组移动时，可显著减少最大可获得的压力。
在本发明的另一实施例中，可将砧体可操作地连接至类似于图10中所示的对准柱。对准柱可有助于防止砧体偏斜或倾斜，而砧体的偏斜或倾斜通常导致冲模或砧体的失效。
根据本发明，施力构件可为能够施力的任何设备或机构，其中所述力足以将组合模模组保持在大体上固定位置。适合的施力构件的若干非限制性实例包括单轴压力机、液压活塞及其类似物。在本发明的高压装置中也可使用类似于四面体和立方体压力机中所使用的液压活塞和压头。替代地，施力构件可包括类似于标准立方体压力机中所使用的连杆和液压活塞。在图10所示的一个具体实施例中，施力构件可为单轴压力机74中的成对压板72。组合模模组76和78分别被保持在弓形支撑构件80和82中。支撑构件80和82也被分别保持在额外的次级支撑构件84和86中。所述组合模模组被展示为处于独立的位置。在此位置中，可易于对组合模模组及/或支撑构件进行更换或调整，并且将一个反应总成放置在其中。此外，在施加高压之后，与标准带式冲模相比，使组合模模组牵引缩回到独立的位置可使高压总成的移除更为容易。在其中将四个组合模模组连接到四个相应的支撑构件，两个单轴压力机可用于保持四个组合模模组处于大体上固定位置。本发明的组合模和相关支撑构件的优势在于在施加高压后易于实现组合模模组的移除和模腔的开放。
通过使用单轴压力机74啮合该对压板72，可装配组合模模组76和78以便形成一个模腔。在组合模模组向着彼此移动时，两定位销88和90可确保组合模模组正确定位并且有助于防止施加高压期间的横向运动。
不管使用何种施力构件，所述施力构件可被配置成直接或通过相应的支撑构件向组合模模组施加离散力。在本发明的一实施例中，离散力可在一公共点处相交并且作用于大体上垂直于所述腔轴的公共面内。通常，公共点是沿着腔轴以便防止组合模模组彼此发生滑动或偏移。
参照图5B，使用离散力27和29将两个组合模模组22和24保持在一起。离散力27和29可呈约180°间隔施加，并且与由组合模模组的接口所定义的接口成约90°，接口大体上与衬垫25相对应。同样地，可使用离散力将三个组合模模组保持在一起。所述三个离散力可在一公共面内以约120°隔开并且与组合模模组接口成约60°而作用。图6B说明分别由离散力102、104、106和108保持的四个组合模模组32、34、36和38。离散力102、104、106和108可在公共面以约90°隔开并且与组合模模组接口成约45°作用。
推进的砧体充当楔形物以便将组合模模组推开；由于将组合模模组保持在一起所需的力的量通常大于通过砧体施加的力。因此，所组合的离散力较佳可为大于来自砧体的组合压力。在本发明的一实施例中，在该对砧体推进时，向高压总成施加压力，从而沿径向向外对着组合模模组施力。因此，保持组合模模组所需的组合离散力可能大于高压总成中的压力。此外，典型的冲模的内表面积大于砧体的面积；因此，将组合模模组保持在一起所需的力(即，压力乘以面积)远大于使砧体前进所需的力。尽管可使用下述范围之外的足以得到所需压力的力，但是砧体通常可提供从约100吨到约10,000吨的总压制力。
根据上述原理，本发明的高压装置可在模腔内产生高压。可易于实现高于约2Mpa的高压。组合压制力足以提供超高压。在一实施例中，超高压可为从约1GPa到约10GPa，且较佳为从约2GPa到约7GPa，并且最佳为从约4约6GPa。
在本发明的另一实施例中，可将支撑构件成型用以减少相应的组合模模组中的张应力。向例如图5B中所展示的支撑构件施力会导致组合模模组过早失效。具体地说，在向支撑构件21和23施力时，组合模模组会沿模腔内表面的圆周方向经受高张应力。该张应力倾向于导致组合模模组垂直于模孔破裂，其中裂缝起源于内表面处并且随后向外表面生长。如图11所示具有一个单一弓形组合模模组112的支撑构件110。所述支撑构件具有一与组合模模组相对的外表面114。外表面较佳为向内凹陷以便形成一个被配置成用于减小组合模模组中的张应力的型面。视情况，邻近支撑构件的相应施力构件可向内凹陷，以便形成可在施加高压期间减小组合模模组中的张应力的类似型面。
如图11中所示，向内弯曲可为稍微向内凹陷(为了清晰，夸大为凹陷)；但是，向内弯曲也可形成为具有大体上平坦表面的斜面，其向内倾斜并且以最大偏移LD相交。也可使用可减小组合模模组内表面处的张应力的其它向内弯曲。向内弯曲的程度较小，并且可通过自给定外表面长度(L)的最大偏移LD来测量，即LD/L×100。在一方面，弯曲的程度可从约0.1％到约2％；但是，也可使用此范围之外的值。可基于冲模支撑构件的尺寸、几何形状、支撑构件中所用的材料和用于特定设计的施力构件的数量来计算特定范围。弯曲程度足以分布所施加的荷载，使得组合模模组处的环向拉力得以最小化。熟悉本领域的技术人员可使用其知识和易于获得的软件做出这些计算。当图11的冲模支撑构件110经受离散力时，外表面114倾向于由大部分的应力而变平，该应力是从较为昂贵的组合模模组112向支撑构件传递。
除了图11中所示的弯曲之外，支撑构件可沿腔轴的方向凹陷。藉由使支撑构件在此方向上弯曲，在组合模模组和支撑构件中沿表面且处于平行于腔轴的方向上的张应力可被最小化。具体而言，外表面114上的张应力倾向于导致垂直于腔轴的裂缝。
此外，组合模模组112可被塑形以减少角116处的应力。例如，可将这些角磨圆(如图11中所示)、锥形化或斜面化。以此方式，可减少锐角处的组合模模组的碎片和破裂。当然，在一些实施例中，具有锐角116的组合模模组之间所使用的任何衬垫材料可被设计成与接触表面118的弯曲相匹配。优选地，可设计衬垫材料以消除或大体上填充接触表面及/或反应总成之间的任何裂缝。
在本发明的又一实施例中，衬垫材料和组合模模组的相应接触表面可凹陷以便控制通过所装配的组合模模组的压力分布，并且减少过早失效的发生。在超高压下，从组合模模组的内表面到组合模模组外表面或支撑构件的压力梯度可能极大，即通常为从1atm(101,325Pa)到5.5GPa。一般而言，最好应减少对组合模模组和支撑构件产生额外应力的压力中的强烈峰值和下降。例如，接触表面118可为平坦的，其中相应的衬垫材料具有从组合模模组内表面120到支撑构件外表面124的恒定厚度。在这种情况下，压降主要发生在接近外表面之处，导致在接近接触表面的外部区域内的支撑构件110上产生较大应力。
为了产生更为均匀的压力梯度，可使接触表面118和相应的衬垫材料弯曲。图12说明了一个实施例，其中接触表面向着内表面120和外表面124向外凹陷，其中最大凹陷处于支撑构件110和组合模模组112之间的接口处。接触表面可以其它构造凹陷，例如平坦、逐渐倾斜表面或连续锥形，即从内表面向外表面凹陷。例如，衬垫材料的形状可使衬垫材料向着内表面逐渐变厚而向着外表面逐渐减少到较薄的厚度。或者，衬垫在内表面处可具有一个较厚的部分，其随后在接近支撑构件和组合模模组之间的结合处逐渐减小为较窄的厚度，在此点处，厚度可保持大体上相同或向内或向外逐渐减小。在上述每种情况下，接触表面118可凹陷以便与衬垫形状相匹配。
此外，在这些凹陷接触表面和相应衬垫的设计中，要求压力逐渐减少。通常压力变化的斜率与衬垫的厚度有关。例如，与较薄的衬垫相比，较厚的衬垫可允许更大的压降。此外，衬垫的最厚部分和衬垫最薄部分之间的差异通常很适度并且可在比例上大约小于3∶1。因此，通过调整衬垫材料和相关接触表面的厚度，可控制压力梯度从而减少组合模模组及/或支撑构件特定部分的机械应力。
上述高压组合模设备尤其适用于使用前述高压反应总成来生长晶体。美国专利第6,159,286号中更为详细地描述了适用于具有受控图案种晶的高压反应总成的其它可选构造，该专利以引用的方式并入本文。高压反应总成随后可经受可使钻石或立方氮化硼(cBN)保持热力学上稳定的温度和压力。随着温度和压力足够增加到钻石生长条件，催化剂材料可促进在种晶处从原料生长晶体。可在预定时期内保持生长条件，从而实现特定尺寸的生长晶体。
典型生长条件可稍不同；但是温度可为约1000℃到约1600℃，而压力可为约2到约7GPa，且优选为约4到约6GPa。适当的温度可取决于所选的催化剂材料。一般而言，温度可为高于催化剂熔点约10℃到约200℃。生长时间通常为从约5分钟到几天，且优选为少于约50小时。
此外，本发明的高压系统可包括多个高压装置，每个高压装置包括至少一个生长单元。可以各种不同构造，例如串联或并联，对多个高压装置进行定位，以便增加生产能力。在一方面，可将多个高压设备串联定位。在串联定位的一个替代实施例中，高压设备可共享至少一个具有两端的公共砧体，从而大体上沿各个装置的腔轴施加压制力。例如，图13说明了两个高压装置260和262，每个高压装置分别具有一个反应总成264和266。所述两个高压装置可共享一个公共双侧砧体268。以此方式，可使用公共压力机或设备来向所有两个高压装置提供压制力。为了允许砧体移动以便补偿高压生长期间的体积减小，所述高压装置可被配置成允许横向运动。例如，每个高压装置可具有独立的施力构件，例如安装在轨道、轮或轴承等上的单轴压力机，其允许每个砧体以大体上相同的速率进入模孔。
尽管可使用任何适合的高压设备来提供压力构件，但是在一较佳实施例中，所述高压装置可包括压力构件，其为组合模模组270、272、274和276。因而，可将多个离散力278、280、282和284分别施加到组合模模组上以便在施加压制力期间将组合模模组保持在一起。
在另一实施例中，本发明的高压系统可包括多个并联定位的高压装置。图14说明了并联定位且共享公共施力构件的两个高压装置286和288。具体地说，施力构件可施加离散力290和292。邻近的高压装置可共享一个公共支撑构件。或者，如图14中所示，可通过衬垫298分离支撑构件294和296。实际上，将离散力290施加到支撑构件300和296上，同时将离散力292施加到支撑构件302和294上。
在本发明的一实施例中，可增加反应总成及/或高压装置的数量，同时减小每个装置的模腔尺寸。此允许增加生长单元的数量，实现对用于合成高品质宝石级钻石的每个种晶的生长条件进行个别控制。图15说明了本发明其中一实施例，其包括九个并联定位的高压装置。每个高压装置可具有多个生长单元，其中每个生长单元均保持在最佳生长条件。每个模腔的尺寸允许每一晶体大体上无阻碍生长。定位多个高压装置可实现生产量的增加，同时还可实现对每个高压生长单元内生长条件的个别控制。当使用本文所述的高压组合模设备时，此尤其有利，其可改良模腔的入口并且改良对每个生长单元的温度条件的监测和控制。
在串联或并联构造中，通常需要将一或多个施加压力或离散力的设备设计成可移动，从而允许力与组合模模组保持对准。例如，在图13中，高压装置260和262可能需要能够一起轻微移动，从而防止公共砧体268和砧体286和288不平均地进入其各自的模腔。可使用任何已知的硬件来提供此运动，例如连接到用于提供压力及/或离散力的设备的轮、轨道、轴承等等。
本发明的装置和方法可提供额外的控制并且改良个别生长晶体的品质。模腔20的腔轴26可为竖直的，如图4中所示。但是，如上文所讨论，在如图1至3和图9至15中所示由砧体施力之前，可将腔轴定位在大体上垂直于重力的方向。取决于高压总成的组成，装配轴的水平定位可有助于减小与钻石合成期间的密度差异和温度梯度相关的问题。举例而言，在钻石合成期间，催化剂大体上熔融，从而密度较低的钻石(3.5g/cm3)倾向于漂浮在密度更大的熔融催化剂(密度大于8g/cm3)之上。此外，若熔融催化剂的下部温度高于其上部温度，熔融催化剂可通过对流向上流动。熔融催化剂或钻石的这种流动是不理想的，例如在钻石合成的温度梯度法中，对流可增加碳溶质的扩散，足以扰乱种晶钻石的生长速率，导致形成非均质晶体和缺陷。因此，本发明可装配且通常定位该腔轴为大体上垂直于重力，从而消除或大体上减少这些影响。
此外，根据本发明，可有效控制所述多个生长单元内的温度分布，从而保持每个种晶处于最佳生长条件。通常，根据温度梯度法，每个生长表面及/或种晶的温度可低于相应的原料流出表面的温度。通常，每个生长单元内从原料到种晶的温度曲线可为负梯度。温差可以发生变化，但是通常为约20℃到约50℃。此外，希望种晶处的温度波动低于约10℃，从而避免所生长的晶体内的缺点或内含物。
可使用多种机制以使反应总成上保持所需的温度曲线。可提供与原料热接触的加热组件。适合的加热组件可包括，但非局限于，通过低电阻原料的电流、加热管及其类似物。同样地，可通过与冷却组件热接触对种晶和生长表面进行冷却。适合的冷却组件可包括，但非局限于，冷却管、冷冻剂及其类似物。可将冷却组件放置在现有压力构件附近，或者可构成压力构件或反应总成的整体部分。例如，图1展示了分别邻近砧体202和204的冷却管304和306。在这种情况下，冷却管可含有冷却液，例如水或乙二醇。砧体通常是由热导性相对较高的金属(例如钢)或金属碳化物形成。通过砧体传递，可从反应总成210的末端移除热量。或者，在包括多个生长单元及/或反应总成的实施例中可添加额外的冷却组件。例如，图2说明共享一个公共支撑层246的两个反应总成242和244。在此实施例中，可能需要包括接近支撑层的冷却组件308和310，其分别与支撑构件312和314成一体。当然，可将冷却组件放置在尽可能靠近种晶之处，同时仍在高压下保持支撑构件和组合模模组的结构完整性。
作为有效控制温度分布的一个额外辅助，可使用热电偶来测量温度曲线。可将热电偶放置在每个生长单元内的各个位置以便确定温度是否保持在最佳生长条件下。随后可调整加热及冷却组件以便提供充分的加热和冷却。可使用典型的反馈方案来减小温度控制中的波动，即PID、PI等。当使用本文所述的组合模时，对温度分布的有效控制尤为方便。组合模模组中的分裂可允许更直接地进入反应总成和高压容积以处理热电偶和加热或冷却组件。因此，可独立地控制每个种晶的生长条件。
根据本发明的一个结果，可生长经改良的晶体，并且具有较高的产量、更大的生产能力和更高的宝石品质。尽管产量可能取决于所使用的材料，但是本发明的方法可生产高品质和宝石级钻石且在每个加压周期内产量为约2个至超过50个宝石级钻石的晶体，每个晶体均大于1克拉。与通常局限于在最佳生长条件下生长单个大于1克拉的晶体的常规方法相比，此钻石产量远远更高。
在本发明的一实施例中，钻石种晶可生长成宝石级钻石。晶体的生长速度可为约1mg/hr到约10mg/hr，且较佳为约4mg/hr到约6mg/hr。取决于种晶的尺寸和生长时间，最终生长的晶体可具有不同的尺寸。但是宝石级钻石的大小可为约0.5克拉到约30克拉，并且优选为从约1克拉到约5克拉。
因此，本发明揭示了一种用于向材料施加高压和超高压的经改良的高压装置和方法。上文的描述和实例仅用于说明本发明的特定潜在实施例。熟悉本领域的技术人员将易于了解本发明具有广泛的效用和应用。从本发明和上文对本发明的描述可易于了解或者可合理地提出不同于本文所述的本发明的诸多实施例和改编，以及诸多变型、修改和等效配置，而不会背离本发明的主旨或范畴。因此，尽管本文已关于其优选实施例对本发明进行了详细描述，但是应理解，此揭示内容仅是对本发明的说明和例示并且仅用于提供对本发明的完整可行揭示。上述揭示内容不应被用于或者被理解为限制本发明或者排除任何此类其它实施例、改编、变型、修改和等效配置，本发明仅受到附加的权利要求书及其均等物的限制。
权利要求
1.种高压装置，其特征在于，包含a)多个互补式组合模模组，每个组合模模组具有一个内表面和一个外表面，其中在多的组合模模组之中，所述内表面被配置形成一个具有一腔轴的模腔；b)一对砧体，其被定位使得在该模腔的每一端各具有一个砧体，且其被配置成大体上沿该腔轴施加力；c)多个施力构件，其可操作地连接至所述多个组合模模组，并被配置成向所述多个组合模模组施加多个离散力，所述离散力足以在该对砧体施力期间使所述组合模模组相对于彼此大体上保持在固定位置。
2.根据权利要求1所述的高压装置，其特征在于，所述多个组合模模组的内表面成弓形，并且在装配时形成一模腔，所述模腔具有一中心圆柱形容积以及位于所述圆柱形容积的每一端的扩展开放式圆锥形区域。
3.根据权利要求2所述的高压装置，其特征在于，包含两到十个互补式组合模模组。
4.根据权利要求1所述的高压装置，其特征在于，所述模腔的长度为所述模腔最小直径的约1至约10倍。
5.根据权利要求1所述的高压装置，其特征在于，所述多个组合模模组的外表面被连接到多个支撑构件。
6.根据权利要求5所述的高压装置，其特征在于，所述组合模模组和支撑构件是由单块材料一体成型。
7.根据权利要求5所述的高压装置，其特征在于，所述多个支撑构件具有一个与所述组合模模组相对的外表面，其中所述外表面向内凹陷从而形成一个被配置成用于减少组合模模组中张应力的轮廓。
8.根据权利要求5所述的高压装置，其特征在于，所述组合模模组和支撑构件具有被配置成用于控制沿所述接触表面的压力分布的凹陷接触表面，并且还包含被配置成用于沿所述接触表面放置的若干相应的凹陷衬垫。
9.根据权利要求1所述的高压装置，其特征在于，所述离散力相交于一公共点，并且作用于大体上垂直于所述腔轴的一个公共面内。
10.根据权利要求1所述的高压装置，其特征在于，所述腔轴被水平定位。
11.一种向高压总成施加高压的方法，其特征在于，包含a)装配多个组合模模组以形成一模腔，所述模腔具有一腔轴且被配置成用于保持所述高压总成；b)大体上沿所述腔轴向所述高压总成施加一个压制力，该压制力足以在所述高压总成内提供高压，同时利用多个离散力使所述组合模模组相对于彼此大体上保持在固定位置处，所述离散力相交于一公共点且作用于大体上垂直于所述腔轴的一个公共面内。
12.根据权利要求11所述的向高压总成施加高压的方法，其特征在于，还包含以下步骤在向所述高压总成施力之前，将所述模腔水平定位。
13.根据权利要求11所述的向高压总成施加高压的方法，其特征在于，所述压制力足以提供超高压。
14.根据权利要求11所述的向高压总成施加高压的方法，其特征在于，所述施力步骤是通过一对放置在该模腔两端的砧体来实现。
15.根据权利要求11所述的向高压总成施加高压的方法，其特征在于，使用至少一单轴压力来施加所述多个离散力。
16.一种高压系统，其特征在于，包含一高压装置，所述高压装置包括a)多个压力构件，其被配置成用于形成一高压容积；b)一第一高压反应总成，其被配置成用于放置在所述高压容积内，所述反应总成包含i)一第一催化剂层，其具有一晶体生长表面和一原料流出表面；ii)至少一个与所述催化剂层相接触的种晶；iii)一邻近所述第一催化剂层原料流出表面的原料层，所述原料层被配置成在施加高压期间，允许原料沿大体上垂直于重力方向定位的松散原料扩散方向扩散入所述催化剂层。
17.根据权利要求16所述的高压系统，其特征在于，还包含一第二催化剂层，所述第二催化剂层具有一晶体生长表面和一原料流出表面，及至少一个与所述第二催化剂层接触的一种晶，所述第二催化剂层的原料流出表面邻近与所述第一催化剂层相对的原料层。
18.根据权利要求16或17所述的高压系统，其特征在于，还包括一与所述催化剂层的晶体生长表面接触的支撑层。
19.根据权利要求18所述的高压系统，其特征在于，所述种晶与所述晶体生长表面接触，并且所述支撑层至少部分围绕每个种晶。
20.根据权利要求19所述的高压系统，其特征在于，还包含一邻近所述第一反应总成的第二反应总成，其中所述第一和第二反应总成共享一公共支撑层。
21.根据权利要求18所述的高压系统，其特征在于，还包含多个串联定位于所述高压容积内的反应总成。
22.根据权利要求16所述的高压系统，其特征在于，还包含多个并联定位的高压装置。
23.根据权利要求16所述的高压系统，其特征在于，还包含多个串联定位的高压装置。
24.根据权利要求16所述的高压系统，其特征在于，所述原料层包含低阻力石墨或钻石粉末。
25.根据权利要求16所述的高压系统，其特征在于，所述种晶是选自由下列各物组成的群组钻石种晶、立方氮化硼(cBN)种晶、碳化硅(SiC)种晶及其组合。
26.根据权利要求16所述的高压系统，其特征在于，所述压力构件包含一个选自由下列各物组成的群组的高压压力机拼合模设备、活塞汽缸压力机、环带设备、皮带设备、四面体压力机、立方体压力机及环形设备。
27.根据权利要求26所述的高压系统，其特征在于，所述压力构件为一拼合模设备，其包含a)多个互补式组合模模组，每个组合模模组具有一内表面和一外表面，其中所述内表面被配置成在装配所述多个组合模模组时形成一个具有一腔轴的模腔，在施加高压期间所述腔轴被定位成大体上垂直于重力方向；b)一对砧体，其被定位成使得在所述模腔的每一端各有一个砧体，且其被配置成大体上沿所述腔轴施加力；c)多个施力构件，其可操作地连接至所述组合模模组，且被配置成用于向所述组合模模组施加多个离散力，所述离散力足以在由该对砧体施力期间使所述组合模模组相对于彼此大体上保持于固定位置处。
28.根据权利要求27所述的高压系统，其特征在于，包含两到十个互补式组合模模块。
29.根据权利要求26所述的高压系统，其特征在于，所述离散力相交于一公共点，且作用于大体上垂直于所述腔轴的一个公共面内。
30.根据权利要求26所述的高压系统，其特征在于，还包含多个串联定位的拼合模设备，其中所述设备共享至少一公共砧体，所述砧体具有两端，每一端被配置成大体上沿该腔轴施力。
31.根据权利要求26所述的高压系统，其特征在于，还包含多个并联定位的拼合模设备，其中所述设备共享多个公共施力构件。
32.一种在高压下生长晶体的方法，其特征在于，包含a)提供一个具有一模腔及一位于所述模腔内的高压容积的高压装置，所述模腔具有一腔轴；b)装配一高压反应总成，所述高压反应总成具有多个大体上沿装配轴对准的晶体生长单元，每个生长单元包括一种晶、一催化剂层及一原料层；c)将所述高压反应总成至少部分放置在所述高压容积内，从而使所述装配轴大体上垂直于重力方向定位；d)大体上沿所述腔轴向所述反应总成施加压制力，所述压制力足以在该反应总成内提供高压。
33.根据权利要求32所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，还包含以下步骤在施加压制力之前定位所述高压装置，使得所述腔轴大体上垂直于重力方向。
34.根据权利要求32所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，每个晶体生长单元包含a)所述催化剂层，其具有一晶体生长表面和一原料流出表面；b)与所述催化剂层相接触的所述种晶；c)邻近所述原料流出表面的所述原料层，所述原料层被配置成允许原料沿通常对应于所述装配轴的松散原料扩散方向扩散入所述催化剂层。
35.根据权利要求32所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，所述高压装置选自由下列各物组成的群组拼合模设备、环带设备、皮带设备、活塞汽缸压力机及环形设备。
36.根据权利要求32所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，还包含以下步骤有效地控制所述多个生长单元内的温度分布，使得每个晶体生长表面具有低于相应原料流出表面的温度。
37.根据权利要求36所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，所述有效地控制温度分布的步骤包括提供与所述原料层热接触的若干加热组件以及与所述晶体生长表面热接触的冷却组件。
38.根据权利要求36所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，所述种晶为钻石种晶，且在施加压制力的步骤中，所述钻石种晶生长成宝石级钻石。
39.根据权利要求32所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，所述种晶与所述晶体生长表面接触，并且大体上被一支撑层环绕。
40.根据权利要求32所述的在高压下生长晶体的方法，其特征在于，所述装配步骤还包含串联或并联装配多个高压反应总成。
41.一种在高压下生长晶体的方法，其特征在于，包含a)形成一反应总成，所述反应总成包括至少一种晶、一催化剂层及一原料层，所述反应总成被配置成用于具有从种晶到原料的温度梯度的温度梯度受控生长；b)定位所述反应总成，使得所述温度梯度大体上垂直于重力；c)施加足以引起原料沿体扩散方向扩散的高压和高温，使得所述原料层的温度高于所述种晶的温度。
全文摘要
一种经改良的高压装置(10)可包括多个互补式组合模模组(die segments)(12，14)。所述组合模模组可具有多个内表面(16)用以在装配组合模模组(12，14)时形成一个模腔(20)。可定位一对砧体(anvil)(70，72)以使得在模腔(20)的每一端各有一砧体。为了防止组合模模组(12，14)在砧体(70，72)运动时被分开，可将施力构件(21，23)连接至所述组合模模组。在该对砧体(70，72)施力期间，所述施力构件(21，23)可向组合模模组(12，14)施加离散力(17，19)以大体上将组合模模组相对于彼此保持在固定位置。使用这种高压装置可实现高达10Gpa的压力，同时改善了模具的有效寿命且增加了反应体积。此外，使用温度梯度法可高压合成诸如钻石、cBN等各种晶体，其中在施加高压期间该反应总成(210)被定位成大体上与重力(224)垂直。以这种方式定位反应总成(210)可避免重力对熔融催化剂的有害影响，例如对流，因此可增加生长高品质晶体的有效体积。可将多个反应总成以串联或并联的方式定位，每个反应总成具有一个或多个适合于高品质晶体生长的生长单元。本发明独特的分裂组合模设计对每一单个晶体温度和生长条件具有特别显著的效果和控制。
文档编号C30B1/00GK1929982SQ200580007650
公开日2007年3月14日 申请日期2005年1月12日 优先权日2004年1月13日
发明者宋健民 申请人:宋健民