一种人工生长大颗粒金刚石单晶的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种HPHT(高温高压)条件下，利用温度梯度法生长大颗粒金刚石单晶 的方法及装置，属于大颗粒金刚石单晶生长技术领域。
【背景技术】
[0002] HPHT(高温高压)条件下、采取温度梯度法人工生长大颗粒金刚石单晶，具体的说 是通过人工生长金刚石专用的超高压设备（国内普遍采用六面顶油压机，国外也有采用其 它形式的压机，本发明特指的是国内普遍采用的人工生长金刚石专用的六面顶油压机，）将 包含有石墨、金属触媒和导电加热管/片、热绝缘元件的叶腊石立方块模具加压至金刚石生 长需要的压力5_6GPa，同时通过六面顶压机的两个导电顶锤施加 AC-10V电压，叶腊石立方 块模具内的加热管/片的导电发热将石墨、金属触媒加热至金刚石生长要求的温度1200°C-1500°C。业已知道用温度梯度法生长金刚石单晶的现有工艺是由美国通用电气公司首先创 立的（参见美国专利4034066)，随着对温度梯度法生长大颗粒金刚石单晶工艺方法的不断 努力完善，使采用这种方法生长的大颗粒金刚石单晶产品能够批量供应，用于高精度切削 刀具、光学仪器和其它基体材料。
[0003] 现有人工生长大颗粒金刚石单晶的温度梯度法所用装置，如图1，包括一个具有良 好传压、密封性能的叶腊石模具1，一个具有良好导电性能的加热组件2,一个具有良好导热 和高电绝缘性能的电绝缘组件3,一种防止晶种促溶解层4,一个晶种5,一个金属触媒6,一 个碳源(石墨块)7,此外还需要一个能够产生高压(5-6GPa)的设备。在碳源7和晶种5之间产 生温差ΛΤ，形成碳源7和晶种5之间的温度梯度ΛΤ/Η(Η为金属触媒6的厚度），该温度梯度 成为在晶种5上不断外延生长金刚石单晶的动力。
[0004] 采用上述传统方法生产金刚石单晶时多采用晶种的{100}面作为生长面，使{100} 面垂直于碳的扩散方向，从而保证{100}面的生长速度最快。上述方法需要保证晶体始终在 比触媒和石墨的共晶点高20-60°C的温度下生长，才能尽可能的减少晶体生长时出现的触 媒(金属)夹带。中国专利文献CN88103598A公开的合成大尺寸金刚石的方法，提出了采用晶 种的{111}面作为生长面，并将圆柱状的金属触媒(将图1中金属触媒6改进为中间部位高于 边缘部位，将改进的金属触媒称为溶剂塞，图2所示的为改进后的金属触媒块6和碳源(石墨 块)7的示意图，改进后的金属触媒件6和石墨(碳源)件7能够保证晶体生长过程中各部位碳 浓度的一致性，而晶体生长过程中各部位的碳浓度差是造成出现触媒(金属)夹带问题的主 要原因。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有金刚石单晶制备技术存在的不足，提供一种能够有效避免大颗粒 金刚石单晶生长过程中的金属夹带并且大幅度提高生产效率的人工生长大颗粒金刚石单 晶的方法，采用该方法能够生产出粒径大于l〇mm的大颗粒金刚石单晶体。同时提供一种实 现该方法的装置。
[0006] 本发明的人工生长大颗粒金刚石单晶的方法，是：
[0007] 采用粒径0.5-lmm的金刚石晶种的一个{100}面作为生长面，将金刚石晶种置于金 属触媒的底部;在晶体生长之前，通过加热使石墨与金属触媒达到共晶点温度，然后逐渐提 高温度至高于石墨与金属触媒共晶点温度20_60°C，并严格保持该温度，在5.6GPa-5.9GPa 高压环境下，使晶种的{100}面的生长始终处于优势。
[0008] 金刚石晶种均匀的分布在同心圆周线上，以更利于晶体的均匀生长。
[0009] 金属触媒采用FeCoTi合金或FeNi合金(其中FeCoTi合金用于无色（Ila型）大颗粒 金刚石单晶的生长，FeNi合金用于黄色（la型）大颗粒金刚石单晶的生长），FeC 〇Ti合金中三 种元素的质量分别占70%$^、27%(〇))和3%(1^)^6附合金中三种元素的质量分别占 64%(Fe)和 36%(Ni)。
[0010] 碳源采用天然鳞片状石墨，石墨的碳含量不小于99.9%，粒度为60目，在30-50MPa 压力下压制成块状。
[0011] 实现上述方法的人工生长大颗粒金刚石单晶的装置，采用以下技术方案：
[0012] 该装置，包括导电片、导电石墨环、耐火保温套、石墨管、绝缘槽和导电石墨片；导 电石墨片和绝缘槽设置在石墨管内，导电石墨片设置在绝缘槽的开口处，两者形成金刚石 单晶生长的封闭空间，石墨管的外侧设置有耐火保温套，石墨管的上端和下端均设置有端 盖，端盖内设置有导电石墨环，端盖的外侧设置有导电片，导电石墨环的两端分别与石墨管 和导电片接触。
[0013] 所述耐火保温套是在叶腊石块内套装白云石环而成。
[0014] 封闭空间内装有石墨块和金属触媒块，金属触媒块置于石墨块的下方。石墨管用 于加热，导电石墨片和石墨块为金刚石单晶生长提供碳源。上下端的导电片分别与六面顶 油压机的两个导电顶锤接触，油压机的加热变压器提供的低压电流通过导电顶锤、导电片、 导电石墨环和石墨管形成加热回路，低压电流通过石墨管产生热量，耐火保温套及上下端 盖起到密封、传压和保持温度的作用。石墨管产生的热量经绝缘套传热至腔体内部，保证晶 体生长需要的温度。石墨块与含硼的金属触媒块在达到共晶温度时会互溶，碳在温度差ΛΤ 的作用下逐渐移向金属触媒块的底部晶种位置，当腔体内达到高于石墨块与金属触媒块共 晶温度时，晶种的{100}面会生长并保持优先。
[0015] 本发明有效避免了大颗粒金刚石单晶生长过程中的金属夹带现象，在HPHT(高温 高压)条件下，以石墨为碳源，利用温度梯度法生长出了粒径大于l〇mm的大颗粒金刚石单 晶，大幅度提尚生广效率。
【附图说明】
[0016] 图1是现有人工生长大颗粒金刚石单晶的所用装置的结构示意图。
[0017] 图2是改进后人工生长大颗粒金刚石单晶的所用装置的结构示意图。
[0018] 图3现有技术中已公开的碳的温度及压力相图。
[0019] 图4是实现本发明温度和压力条件形成的石墨-金刚石转化区间示意图。
[0020] 图5是晶体生长过程中的温度场变化示意图。
[0021 ]图6是本发明中大颗粒金刚石单晶的生长腔体的结构示意图。
[0022]图7是本发明中晶种排列方式示意图。
[0023] 图8是实施例1中用有限元计算的金刚石单晶生长腔体内的温度分布示意图。
[0024] 图9是实施例2中用有限元计算的金刚石单晶生长腔体内的温度分布示意图。
[0025] 图10是实施例3中用有限元计算的金刚石单晶生长腔体内的温度分布示意图。
[0026] 其中：1、叶腊石模具，2、加热件，3、电绝缘件，4、防止晶种促溶解层，5、晶种，6、金 属触媒，7、碳源(石墨），8、生长初期的金刚石晶体，9、生长后期的金刚石晶体，10、导电片， 11、导电石墨环，12、叶腊石块，13、白云石环，14、石墨管，15、绝缘槽，16、导电石墨片，17、石 墨块，18、金属触媒块，19、端盖。
【具体实施方式】
[0027] 本发明的人工生长大颗粒金刚石单晶的方法，是采用粒径0.5-lmm的金刚石晶种 的一个{100}面作为生长面，在晶体生长之前，通过导电加热使石墨与金属触媒达到共晶点 温度后，逐渐提高温度至高于石墨与金属触媒共晶点温度20-60°C，并严格保持该温度，使 晶种的{100}面的生长始终处于优势。
[0028] 本发明根据图3给出的碳温度及压力相图，设计的石墨金刚石转化条件为:a)金属 触媒作用下，转化温度为1400至1450°C，转化的压力条件为5.6-5.9GPa，上述条件形成的转 化区间如图4所示，确切地说就是指金刚石晶体生长期间，其生长面的条件始终稳定的处于 上述条件下。本发明设计的温度梯度条件为:b)温度差20-60°C，即图1中碳源7与晶种5之间 的温度差ΛΤ为20-60°C。选择中国境内人工生长金刚石普遍采用的金刚石专用的六面顶油 压机作用加压设备，保证能够提供5.6-5.9GPa的压力。
[0029] 随着金刚石晶体的逐渐长大，设计的温度场由于金刚石的导热系数与石墨和金属 触媒导热系数的悬异将导致紊乱，同时金刚石晶体生长面温度逐渐增大，出现图4中所示的 由A点向A'点转变。随着金刚石晶体的逐渐长大，碳由石墨转化为金刚石，体积减少，生长晶 体的腔体内部的压力会逐渐减小，以上两种因素最终导致了生长点由A点向B点的转变，生 长粒径大于l〇mm的金刚石晶体时上述转变会变的不容忽视。由图5中可以更直接的观察到， 在由生长初期的金刚石晶体8至生长后期的金刚石晶体9的过程中，随着金刚石晶体的生 长，其生长面逐渐移向温度成梯度分布的腔体内的高温度区，即由A点向A'点转变。
[0030] 本发明设计了满足于金刚石晶体的生长条件a)和b)要求的晶体生长腔体。同时， 为解决晶体生长面由A点向B点的转变的趋势，本发明通过在生长过程中连续调整加热电 压，不断调整温度场的分布，以保证金刚石晶体生长过程中始终满足a)和b)所述的生长条 件。
[0031] 本发明所设计的晶体生长腔体如图6所示，包括导电片10、导电石墨环11、叶腊石 块12、白云石环13、石墨管14、绝缘槽15和导电石墨片16。导电石墨片16和绝缘槽15设置在 石墨管14内，且导电石墨片16设置在绝缘槽15的开口处，两者形成金刚石单晶生长的封闭 空间，该空间内装有石墨块17和金属触媒块18,金属触媒块18置于石墨块17的下方。石墨管 14用于加热。石墨管14的外侧设置有耐火保温套，该耐火保温套是在叶腊石块12内套装白 云石环13而成，叶腊石和白云石均为耐火材料，叶腊石块12用于密封、传压及保温，白云石 环13作为保温材料。石墨管14的上端和下端均设置有端盖19,端盖19内设置有导电石墨环 11。端盖19的外侧设置有导电片10,导电石墨环11的两端分别与石墨管14和导电片10接触。 导电石墨片16和石墨块17为金刚石单晶生长提供碳源。通过调整导电石墨片16的厚度形成 空间内的金属触媒块18的上下温度差ΛΤ。
[0032] 通过调整晶体生长腔体的各部位尺寸，以