CN1146506C - 具有多条沟槽的钻石或宝石标记 - Google Patents

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Abstract

一种用于在钻石或宝石表面上制作标记的方法及设备，该标记由多条不会对该钻石或宝石的透明度等级有不利影响的沟槽组成，这些沟槽在某种照明和放大条件下显现出强烈的衍射效果。还公开了一种观看该标记的方法及设备。

Description

具有多条沟槽的钻石或宝石标记
发明背景
本发明涉及一种用来在宝石的表面上形成标记的方法和装置，该标记由一个或多个标记组成。标记可以是任何标志，但本发明特别涉及而又不只是涉及给钻石刻一种信息标志，该标记可以是字母数字字符等。本发明特别涉及给钻石、宝石作标记，尤其是特别涉及施加一种标志，这种标志在任何情况下当被施加到宝石的抛光小平面上时不会损害其透明度等级，而且既不能用肉眼，也不能通过用一种x10的放大镜(供宝石商人用的放大镜)用眼睛看到。
这些标记通过用一串数字或一个商标或质量标记来对宝石作出独特的鉴别，标记不应损伤宝石的价值和外观，也不应该呈现黑色。
在国际申请WO-97/03846中，对这类标记的性能进行了详细介绍。在此申请中，标记是通过采用辐射掩膜用紫外线激光器照射一钻石宝石来施加的。
大体上希望产生一种改进方案的标记，这些标记在合理的放大和照明条件下可被看到，它们不会损伤钻石或其它宝石的价值和外观。本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或提供一种有用的替换方式。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供一种在宝石表面上制作标记的方法，此方法具有在所述宝石表面上制作多条沟槽的步骤，沟槽在放大时产生一种可见的衍射效果，而且不会对宝石的透明度等级产生有害影响。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于在一宝石表面上制作由一个或多个标志构成的标记的设备，该设备具有包括用于在所述宝石表面上制作多条沟槽的软件的装置；沟槽确定了标志，而且在放大时产生可见的衍射效果，该沟槽不会对所述宝石的透明度等级产生有害影响。
标记不能用肉眼识别或认出。但是，沟槽在某种特定照明条件下提供了一个可见的衍射效果。沟槽越深，在观看时标记越能被明显地见到。沟槽应该有合适的深度，从而使标记能在合理的观看条下被高度清晰地看到，但是又不能太深而使钻石或宝石的透明度等级受损伤性影响。在一优选实施例中，每条沟槽深不小于约10纳米(nm)和/或不超过约50纳米而无变黑的迹像。在一个优选的实例中，每条沟槽深度约为30纳米。
沟槽可以是平行直线形的，根据想要的效果，甚至也可以是多个形成交叉阴影线图案的相交沟槽。
虽然可以利用任何合适的设备，例如用准分子激光器蚀刻和等离子蚀刻来制作标记，但优选用一种离子束来进行制作标记，而且特别优选用聚焦的离子束直接在钻石表面上刻写。通过限制辐射剂量可避免碳原子飞溅，飞溅会直接导致材料去除。这样就能将分辨效果良好、深度受到控制的标记制作出来。通常使用镓离子，但其它适合的离子束也可采用。
据说每个入射的离子均置换出钻石晶格中的一定数目的碳原子，从而在该晶格上产间隙空穴。随着这种破坏(晶格无序)量的增长，出现一种钻石SP3键被石墨状SP2键替代的倾向。这些键能够被一种化学蚀刻剂进攻，从而将该无序层除去。通过限制辐射剂量但又假设有足够的辐射剂量，入射离子引起无序化，使钻石转变成石墨状物质或别的非钻石结构物，这类物质能够例如以几分钟至数小时为一个周期采用在约380-550℃温度下熔化的硝酸钾那样的强氧剂来除去。
业已发现，用硝酸钾能比用其它公知工艺更有效地除去无序的钻石，因而就可以比较低的辐射剂量离子束产生一给定深度的标记。
其它合适的氧化剂可以是熔融化合物如碱金属盐，以XnYm形式的化合物，其中的X组可以是Li+，Na+，K+，Rb+，Cs+或别的阳离子，其中Y组可以是OH-，NO3 -，O2 2-，O2-，CO3 2-或其它阴离子，整数n及m用来维持电荷平衡。这些化合物的混合物也可被使用。空气或其它含氧气体也可以存在。
作为一种替换，钻石的无序层也可以用酸或溶解在酸中的硝酸钾来除去。但是，例如使用熔融的硝酸钾消除酸雾，而且，也排除了处理使用过的酸的工作，由此而提供了安全性、环境和经济效益。
要求使由离子束在钻石表面上引起的无序化深度减至最小。无序化的深度取决于离子的量级。就50千电子伏镓来说，此量级就是30钠米左右。最小剂量可以是约1013/cm2，优选约为1014/cm2-1015/cm2，但是一个好标记要用相当合适的剂量才能被作出。优选的最大剂量为1016/cm2左右，甚至高达1017/cm2。然而，剂量与使用的离子及其能量(以千电子伏计)有关。离子束剂量是在制作标志期间在样品表面的单位面积上入射的离子总数。离子束电流可以是约0.5nA，离子束能量不小于约10千电子伏或不小于约30千电子伏和/或不超过约100千电子伏或约50千电子伏。
已经发现，如果标记的深度是用一连串不同离子束能量的离子束刻出的，那么随着离子束能量增加，标记的深度也增加。可以通过选择最终决定所期望的标记深度的剂量/能量组合，来使标记的特性优化。
待刻标记的区域和/或其周围区域可以用导电层例如用黄金在刻上标记之前涂覆，从而在用离子束作标记之前先进行电连接以防止被带电。黄金或其它涂层的厚度以离子束能量改变标记的深度变化，因而可以被选择得使作出的标记优化。但是，为了在制作标记过程中防止其带电，优选例如用电子泛射枪那样的一种例如约1-100电子伏的电子低能源来照射该待标记区域。
如果一聚焦的离子束用来制作多个沟槽，那么此方法的精度使得不再要求用掩蔽工艺，高子束被直接施加到钻石表面上要求制作沟槽的位置处。但是，如果别的形成沟槽的低精度方法被采用，那么就要求掩蔽沟槽区域之间的区域，以避免那些区域被制作标记。
为了观看标记，可以利用下述设备，该设备具有用光线给标记照明用的两个照明装置，每条光线均以与预定波长或波段的光的衍射角相应的一角度照射。照明装置使得光线相对于所述表面的法线有大体上相同的角度，但是沿所述表面的法线观看时，这些光线的方向大体上是相反的；以及具有观看该标记的和放大被观看到的标记影像的观察和放大装置。本发明还拟保护相应于上述装置的观看标记的方法。
最好在黑暗背景下观看该标记，亦即是说最好大体上防止该照明光被该钻石反射、并且直接出现在标记后面或紧靠着标记。对本领域的技术人员来说明显的是，为了实现上述要求，该照明光照射的角度和方向(以及线的方向和间隔)必须被选择成确保没有光能沿不希望的路径照射。
观看所述标记所需的典型放大量级是×10至×50。
多个沟槽间的距离及定向光的角度决定了观看标记时该标记所呈现的颜色。总的说来，对于一衍射光线来说：
          d·sinθ＝±nλ
式中d是各条沟槽之间的距离，θ是入射光的角度，λ是该衍射光的波长，n是整数，优选n＝1。
因此，当标记已制作在一钻石上而且d和n已经被选定时，衍射光的波长、亦即是该标记被观看时所呈现的颜色可以通过改变照射光的角度来改变。如果希望在观看时该标记呈现蓝色，那么就将照射光的角度θ利用上述公式加以调整，从而使λ约为450纳米。如果要使标记呈现红色，那么就可将θ角调整得使λ约为620纳米。
在根据本发明的第三方面设备的一实施例中，该照明装置可以有一光源及一个设置在该照射光路径上的不透光的遮屏。该屏上有两个孔，孔被制作在一个大体中心位置的两侧，从而产生两种角度定向光源。两孔之间的距离确定了入射光光源的角度。当然可以想像到：定向光源可以是任何合适的装置，亦即是两个分开的光源。一传统的显微镜可以有一照明装置，此装置有一圆环形光源，此光源有被一极小的钨光球照明的光导纤维。本发明的照明装置可以通过遮盖该照明器的两个径向相对的部分之外的其余部分来获得。
优选实施例
对本发明的实施例只是以示例方式参照附图来介绍。各附图是：
图1是标记类型的一放大的示意性简图，该标记是用本发明的第一和第二方面的方法及设备制作的；
图2是沿图1至A-A线剖取的放大剖视图；
图3是本发明第三方面设备的一实施例的示意性简图。
参看附图1，一种以字母数字字符形式的标记可以由多条等距离间隔的平行长沟槽10构成，每条沟槽均由距离d分开。每条沟槽10有大体上为正方形或矩形的截面，其情况如图2所示。正弦廓形也是优选的，以便减低所不想要的更高序数的衍射。
实施例
下面介绍形成每条沟槽的具体方法。
将一钻石宝石安装在一合适的夹具中并放入一真空室中，该室配备有如FEI或Micrion供应的那种聚焦离子束。在制作期间，该待作标记的区域用一种由Micron供应的电子注射枪照射，该枪提供例如1-100eV(电子伏)那样的低能量电子源以防止该钻石带电。
利用具有光栅扫描的聚焦离子束，以例如静电偏转来扫描该离子束，选择合适的任何软件控制该离子束，一组密排平行间隔开的直线条就被刻写在该钻石表面上(作为一种替换方案也可使钻石移动，但此方案可行性较低)。
将该样品从真空室中取出后放入一不锈钢坩锅中，并用如熔融的硝酸钾那样的一强氧化剂涂覆约为1至2小时的一段时间。接着，将样品冷却后从硝酸钾中取出，取出后用水和酒精清洗。由此而将该钻石表面的已被离子束无序化的那部分除去：从而留下一组每条深约30-35纳米(nm)、密排但间隔开的沟槽，这些沟槽无发黑的迹像。
在清洗之前的检查、例如用反射光显微镜检查时，由于其石墨状的外观而使该裸露区域被辨证出来。这样的标记对一个钻石级别来说是不能被接受的，因为它明显降低了钻石的透明度等级。但是在用强氧化剂清洗之后，该标记在显微镜下不能被轻易地看到，在此标记与其周围区域之间没有明显的差别。此标记只有当最好用两个定向光源以与例如与蓝光的特定波长的光衍射角度相应的角度照射时，才能被看到，此时，标记显现蓝色。这种标记对于一钻石级别来说是可以接受的，因为此标记并不对该钻石的透明度级别有不利的影响。
如附图1所示那样，这些密排但间隔开的沟槽最好制作在一字母数字字符或类似物的一不可见的外轮廓线内。
现在参看图3，下面对用来观看用本发明上面介绍的方法所产生的标记的方法及设备进行介绍。
将刻有标记的钻石104置于一传统显微镜102的观察面100上。钻石104用两个相对垂直轴线Y有一角度θ的两定向光源106照明。如上所述，θ角度根据需要被选取或使钻石标记显现蓝或红色。因此，如果该标记要显现蓝色，而且d是约1200nm，那么θ角度被选择得满足：
             d·sinθ＝约450nm
式中的n＝1，而且450nm近似于蓝光的波长，这在图3中X处是该衍射光的波长。在此情况下，θ＝22°
该定向光源可以是一大体上为环状的照明器提供的，该照明器除其两个沿径向对置的部分外均被遮盖。但是，其它任何合适的光源也可以用来产生相同的效果。
除非在文中另外有明确要求，整个权利要求和说明书中的术语“包括”、“具有”及其相似的术语均解释为与不含有或没有的意思相反，亦即是说这些术语的意思是“包含有，但不限于”。
在上文中只是以示例方式介绍了本发明，但在本发明的基本精神之内可以作出改型。本发明也打算保护上述特征的等同物。

Claims (28)

1.一种在宝石表面上制作标记的方法，其特征在于，具有在所述宝石表面上制作多条沟槽(10)的步骤，沟槽(10)在被放大时产生一种可见的衍射效果，而且不会对宝石的透明度等级产生有害影响。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标记是一种以一个或多个字母数字字符等形式的标记。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标记是商标或质量标记的形式。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述宝石的表面区域被照射以使其晶格无序化，并且接着该无序的晶格被去除以形成所述凹槽。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，沟槽(10)是用一聚焦离子束制作的。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述宝石表面上的其晶格被所述离子束无序化的区域被一强氧化剂除去。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述强氧化剂是熔融的硝酸钾。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述强氧化剂是一种XnYm形式的化合物，其中的X组是Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+或别的阳离子，或它们的混合物；Y组则是OH-，NO3 -，O2 2-，O2-，CO3 2-或别的阴离子，或它们的混合物，整数n和m用来维持电荷平衡。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该聚焦离子束具有50千电子伏或更小的离子束能。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该聚焦离子束具有约0.5nA的离子束电流。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，由该聚焦离子束所提供的离子剂量约是1013/cm2-1017/cm2。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该剂量约为1014/cm2-1016/cm2。
13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述宝石表面上待刻标记的区域被一低能量电子源照射，以便使之消除带电。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述低能量电子源是一电子泛射枪。
15.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，至少沟槽(10)中的某些沟槽是平行等间距分隔的细长槽。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，多组相交沟槽(10)被制作成产生一种交叉阴影线效果。
17.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于所述钻石是一种宝石钻石。
18.一种用于在一宝石表面上制作由一个或多个标志构成的标记的设备，其特征在于，该设备具有包括用于在所述宝石表面上制作多条沟槽(10)的软件的装置；沟槽(10)确定了标志，而且在被放大时产生可见的衍射效果，该沟槽不会对所述宝石的透明度等级产生有害影响。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述用于制作多条沟槽(10)的装置包括用于照射所述宝石部分而使其晶格无序化并产生一无序层的装置；以及用来将该无序层除去的装置。
20.如权利要求18或19所述的设备，其特征在于，所述用于照射该宝石部分的装置是一聚焦离子束。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述聚焦离子束具有50千电子伏或更小的离子束能量。
22.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述聚焦离子束具有一约0.5nA的离子束电流。
23.如权利要求20所述的设备，其特征在于，由所述聚焦离子束提供的离子剂量约为1013/cm2至1017/cm2。
24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述剂量为约1014/cm2-1016/cm2。
25.如权利要求18-24中任一项所述的设备，其特征在于，还具有用一低能电子源照射所述钻石表面上待刻标记的区域的装置，以使之消除带电。
26.一种其上具有如权利要求1-17中任一项所述方法制作的标记的宝石。
27.一种用于观看如权利要求26所述宝石的表面上的标记的方法，其特征在于，具有用光线(106)照射该标记的步骤，每条光线均以一相应于一预定波长或预定波段的光之衍射角的角度(θ)照射，而且这些光线相对于所述表面的法线有大体上相同的角度(θ)，但在沿该表面的法线观看时，这些光线的照射方向大体上是相反的；以及具有观看所述标记和使该标记的影像放大的步骤。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，包括选择照明光线的照射方向及角度(θ)使得观看该标记是在相对黑暗的背景下进行的步骤。
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