JP3799060B2 - ダイヤモンドへのマーク形成 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、ダイヤモンド宝石の研磨ファセットに裸眼で見えない情報マークを形成する方法であって、紫外線放射などの放射を用いて原石のそれぞれの部位の面を照射する方法に関する。「（裸）眼で見えない」とは、専門又は熟練ダイヤモンド鑑別者の（裸）眼で見えないことを意味する。情報マーク（識別特徴とも称する）はダイヤモンドの識別マークであるが、特定のダイヤモンドを識別する必要はなく、一般には、品質や商標などの他の情報を提供する。通常、情報マークは単純なドットではなく、複雑なマークである。
かかる情報マークは米国特許第５，４１０，１２５号、第１段第４０頁から第２段第２頁において議論されているが、ダイヤモンドに情報マークを形成する技術は、米国特許第４，３９２，４７６号、米国特許第４，４６７，１７２号、米国特許第５，１４９，９３８号、及び米国特許第５，３３４，２８０号においても議論されている。更に、同様の技術は、眼鏡レンズに関連して米国特許第４，９１２，２９８号において議論されている。欧州特許０ ５６７ １２９Ａ、米国特許第４，４７８，６７７号、ＷＯ９０／３６６１、Ｇｅｉｓ等の論文（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ５５（２２）、２２９５〜２２９７頁）、Ｈａｒａｎｏ等の論文（新しいダイヤモンド研究及び技術における進歩、ＭＹＵ東京、４９７〜５００頁）、Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ等の論文（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ４（１）、１９８６年１／２月号、３１０〜３１４頁）、Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ等の論文（ＳＰＩＥプロシーディング、１９８６年、第６３３巻、オプティカルマイクロリソグラフィーＶ（１９８３）、５１〜５７頁）、Ｓｅｒｃｅｌ等の論文（レーザ＆オプトロニクス、１９８８年９月号、６９〜７２頁）、及び、Ｓｅｒｃｗｌ等の論文（ＳＰＩＥプロシーディング、第９９８巻、７６〜８３頁）において、同様の技術について議論されている。
高品質宝石ダイヤモンドと、例えばエキシマレーザにより生成される強度パルス化紫外光との相互作用について公表された論文は比較的僅かである。ダイヤモンドについて議論する場合、ほとんどの論文は、化学蒸着成膜（ＣＶＤ）により成長される多結晶ダイヤモンド又は「ダイヤモンド状」薄膜に関心を向けている。ＣＶＤ材料は光学的特性が悪い場合が多く、完全ダイヤモンド（ｓｐ³）配置ではなくグラファイト状（ｓｐ²）配置で結合された相当量のカーボンを含んでいる。構造の相違に起因して、このＣＶＤ材料は、紫外線放射との間に高品質宝石ダイヤモンド材料と同様の相互作用を示さない。
複雑にならず、一定の結果が得られ、過大な時間を要さず、汚染をほとんど起こさず、かつ、ダイヤモンドを損傷する危険がないように、情報マークを形成できることが望ましい。また、適切な倍率と観察条件によれば明瞭に読みことができ、あるいは識別可能でありながら、見え難いマークを形成することも望ましい。
発明
本発明の方法によれば、裸眼で見えない情報マークが、ダイヤモンド宝石の研磨ファセットに、ファセット面の照射部と反応して形成すべきマークを生じさせる反応剤の存在下で、波長が約４００ｎｍ未満の放射を、放射流束量が実質上ダークニングが形成されるマークに存在するレベル未満、又は、形成されたマークがダイヤモンドの透明度等級を損なうレベル未満、又はダイヤモンドのアブレーションスレッシヨルド未満となるように、ファセット面の各部に照射することにより形成され、形成されたマークにダークニングはほとんど生じない。本発明は、また、本方法によりマークされた研磨ファセット、及び本方法を実行する装置であって、ダイヤモンド宝石を取り付ける手段と、
前記宝石の研磨ファセットの表面を約４００ｎｍ未満の波長を有するパルス化放射により、照射位置での流束量が１パルス当たり３Ｊ／ｃｍ²となるよう放射位置当たり約１００パルス以上で照射する放射源及び光学的手段と、
前記ファセット面の照射部と反応する反応剤を前記照射位置に存在させ、形成すべきマークを生じさせる手段とを備え、形成されたマークに実質上ダークニングが存在しない装置をも提供する。本発明の方法において、エッチングに適した条件は、試料の所望の領域を、好ましくはＡｒＦエキシマレーザにより発生されたパルス放射などの強力な紫外光で照射することにより形成される。照射はエッチングが必要な領域にのみ選択的に行われるので、表面にエッチング用レジストを設けることは不要である。
アブレーション
本願で用いられるアブレーションは、パルス紫外レーザにより発生される放射などの強力な放射がダイヤモンド表面の薄い層に吸収され、その層を過渡的に高温まで加熱し、又は、その層内の化学的結合を切断することにより、層の一部が気化、すなわち、材料から放出されるプロセスである。これは、本質的に、他の反応剤を伴わない材料の固体から蒸気への物理的変態を伴っている。材料は気化されると、存在するあらゆる反応剤と化学的に反応する。アブレーション中に気化された高温カーボンは、周りの酸素と容易に反応して、一酸化炭素又は二酸化炭素を生成することになる。しかしながら、アブレーションは、かかる反応剤の存在下で行われる。一般に、パルス化照射の流束量（照射面の単位面積あたりの１パルスあたりのエネルギー）がスレッシヨルドレベル未満ならばアブレーションは生じないと考えられる。異常に低いスレッシヨルドの流束量でのアブレーションは、ＣＶＤダイヤモンド及びダイヤモンド状フィルムの場合に得られる。これらの材料の非ダイヤモンドカーボンは、材料の照射に対する抵抗力に悪影響を及ぼすものと考えられる。
相変態
ダイヤモンドは高温に加熱されるとカーボンの非ダイヤモンド形態に変態しようとする。このため、照射領域に部分的に非ダイヤモンド層を蓄積させることができる。層が形成され始めると、この層は照射を完全ダイヤモンドの場合よりも強力に吸収しようとする。かかる変形表面の見かけ上のアブレーションスレッシヨルドは元のダイヤモンドの場合よりも低い。アブレーションが開始されると、非ダイヤモンドカーボン相を形成するプロセスはマークの底部まで続行され、アブレーションが持続される。
ダークニング
本願で用いられる「ダークニング」は、灰色又は黒色マークの形成、又は、アモルファスカーボンや他の非ダイヤモンドカーボンの存在に起因する堆積により生じた光学的濃度の増加であり、例えば、気化カーボン又は相変態により形成されたダイヤモンド表面又はその表面下の変質材料により生ずる。実質上ダークニングは、石の価値を損なうような十分に見えるマークを形成する大きなダークニングであり、通常、１０倍のルーペを用いる専門家（すなわち、１０倍のルーペで補助された専門の裸眼）又は（より厳しい検査では）ＧＩＡ「Ｇｅｍｏｌｉｔｅ」（商標名）などの１０倍の顕微鏡の下で見えるマークを生じさせるダークニングであると考えられる。
ダイヤモンドは、その透明度に応じて等級付けされる。ＧＩＡにより用いられる基準などの種々のグレード付け基準が知られているが、全ての基準は互いに整合している。きず無しダイヤモンド（ＧＩＡ ＦＬ）は、ダイヤモンド内部に含有物、クラック、その他の欠陥を有しておらず、また、ダイヤモンドの表面にも光がダイヤモンドを自由に通過するのを阻止し得る欠陥を有していない。検査は、宝石商が使用するルーペである１０倍のルーペで観察可能な特徴に基づいて行われる。一般に、５ミクロン未満の最大寸法を有する特徴は１０倍のルーペで検出できない。１０倍のルーペで観察可能なマークがかかるダイヤモンドの例えばテーブルに形成される場合、このダイヤモンドの透明度等級、従って、その価値が低減することになって望ましくない。あらゆるダークニングはマークをより遙かに明瞭にする。このため、追加的又は代替的な望ましくないダークニングは、ダイヤモンドの透明度等級を損なうダークニングであると考えられる。例えば１０倍のルーペで丁度見えるマークの存在が、内部に明瞭に見える不純物を既に有するダイヤモンドに与える影響は小さいので、透明度の低いダイヤモンドについては、遙かに見えやすいマークを許容できる。
本発明を用いることにより、ダークニングを減少させることができる。例えば、宝石顕微鏡などの１０倍又は１００倍又は２００倍の光学式顕微鏡を用いて、又は、カールツァイス社製ツァイス・ウルトラフォト（Ｚｅｉｓｓ Ｕｌｔｒａｐｈｏｔ）などの５０倍又は２００倍又は８００倍の金属顕微鏡を用いても、ダークニングは見えない。検出可能な非ダイヤモンドは存在せず、あるいは、非ダイヤモンド自体が全く存在しない。
相変態により形成される変質材料は光を吸収しやすい。絶対的な意味において、変質材料の相は、例えば５％又は１０％の光を吸収するならば、実質上ダークニングを示すといえる。ただし、これは、定量的に決定されたものではなく、限定的なものではない。変質材料は、結晶性であるとしても、完全なダイヤモンド構造を有しておらず、従って、幾らかの非ダイヤモンドカーボンが存在する。しかしながら、変質材料の外観は層の形態に依存する。この層が本質的に平坦ならば、結晶性グラファイトと同様に、ほとんど金属的な光沢を有し得る。灰色状の変形層が最初に形成された後、気体との反応により直ちにエッチング除去され、除去速度が変質層の形成速度よりもずっと速ければクリーンなマークが得られる。しかし、エッチングの終わりに、非常に薄い変質層がマークの底部に残ることがある。この層は、実質上ダークニングとはいわない。換言すれば、研磨ダイヤモンド宝石のファセット上の、情報マークの一部としての非常に薄い平坦変質層は、望ましくないものの石の価値を損なうほどには見え易くない。
本発明は主に、裸眼に見えず、また、１０倍のループを用いても裸眼で見えないマークの形成に関するものであるが、将来的には、かかるマークが認証印としての性格を帯びて、１０倍のルーペで、又は裸眼で見えるものであっても、許容されるようになる可能性がある。しかしながら、本発明の特定の手順は、このようなより見え易いマークを、ダークニングや過剰なダークニングを伴うことなく、従って、マークを目立たせることなく、製造することを可能とする点で有利である。
発明の利点
実質的なすなわち望ましくないダークニングを防止することにより、マークの見え易さを大きく低減することができる。望ましくない、ダークニングが存在しないので、後に黒色又は灰色マークを（例えば酸化などの化学的プロセスにより）除去することは不要である。かかる除去は、ダークニングがダイヤモンド内部の層変態に起因するものである場合には、不可能である。黒色又は灰色マークを除去する必要がないので、仕上げられた石にマークを付けることができる。仕上げられた石へのマーク付けは、比較的低いエネルギーを用い、石全体の過熱を防止することによっても実現される（石全体の温度上昇は例えば２０ｐｔ．（０．０４グラム）の石に対して０．５℃のオーダであると考えられる。ただし、この値は、石の寸法や付されるマークの寸法に応じて変化する）。比較的低いエネルギーを使用することにより、冷却の必要性も排除され、石へ損傷を与える危険性が排除される。従って、本発明によれば、望ましくない如何なる副生産物も形成することなく、また、その他の方法でダイヤモンドに損傷を与えることなく、ダイヤモンドにマークを形成することが可能とされる。
本発明によれば、また、非常に浅いマークを制御可能な方法で形成することができる。実質上ダークニングが存在せず、マークが浅いことで、マークを眼に見えないようにすることができる。マークは、１０倍のルーペを用いても肉眼で見えないことが好ましい。しかしながら、マークのエッジを強調する暗視野照明などの顕微鏡技術を用いてマークを容易に見ることができる。かかる技術として金属顕微鏡を用いることができる。あるいは、Ｍｉｃｒｏｍａｐ ｏｆ Ｔｕｃｓｏｎ社（アリゾナ）製「Ｍｉｃｒｏｍａｐ」（商標名）などの干渉顕微鏡を用いてマークの正確な三次元画像を得ることもできる。実質上ダークニングが存在しないので、マークの見え易さは、マークの深さのみにより得られる。マークが裸眼に見えないので、ダイヤモンドの価値を損なうことなく、マークを高品質研磨ダイヤモンドのテーブルに（好ましくは、見つけやすい中央部、特に、幾何学的中心に）、すなわち、ダイヤモンドがはめ込み台に取り付けられた際にマーキング及び検査のためアクセスできる位置に設けることができる。しかし、望むならば、マークを、例えばガードルファセットなどの別のファセットに設けてもよい。
情報マーク形状及び寸法
本発明は、非常に複雑なマークを細かな分解能で形成することを可能とする。例えば、種々の深さ又は微細な線パターン又は種々の断面形状の領域を有するマークを設けることができる。これにより、マークは多くの情報を含み、容易に複写され難い。情報マークの形状は、任意の適切な照射技術により形成され得る。しかしながら、現実的にはレーザスキャンでは遅すぎるので、マスク技術が用いられるが、この技術は周知である。種々の深さを浸食又は燃焼させる幾つかの公知の方法が存在する。例えば、ａ）互いに整列された一連のマスクを用いて異なる照射に対して試料の異なる部分を露光する方法や、ｂ）ハーフトーンマスク（一般には光学系によっては解像されないマスク上のドット）を用いる方法や、ｃ）透過率が変化するマスクを使用する方法などである。マークの断面形状は好ましくは矩形であり、深さよりも幅の方がずっと大きい。ただし、この形状は必要に応じて変化されてもよく、矩形以外の形状であってもよい。好ましいマークは約５０ミクロンの特徴高さ、２〜３ミクロンの特徴線幅、及び２００〜２５０ミクロンの全体幅を有しているが、これらは必要に応じて変化されてよい。マークは好ましくは１、３、５、又は８ｎｍを下回らない深さを有し、好ましい深さは、約１０ｎｍ及び約２０ｎｍの間である。例えば１ミクロン以上に達するより深いマークを形成することもできるが、より見え易く、また、プロセスを遅らせることになる。
エッチング
反応機構は分かっていないが、ダイヤモンドは、石と気体との間の、放射励起された化学反応によって除去されることによりエッチングされる。すなわち、照射により石の表面に反応剤と石、おそらくは上記した変質層との反応を可能とする条件が形成される。一定条件下、例えば、不十分な酸素分圧で、ダイヤモンドの一定の結晶面を処理する場合、僅かに灰色の又は灰色がかった層がダイヤモンドの表面に観察されることがある。これは、上記した変質層が十分にエッチング除去されないことによるものと考えられる。厚い灰色がかった層は望ましくない場合が多く、酸素分圧を増加することにより除去あるいは排除することができる。酸素の場合、酸素はダイヤモンド表面に吸収され、照射により加熱されると更にこの表面と反応して、一酸化炭素又は二酸化炭素を遊離させる。しかしながら、紫外光はプロセスに含まれる種々の化学的結合を切断することができるのため、照射紫外光の存在が、反応自体において重要な役割を有している可能性があり、あるいは、放射により生成された酸素自由ラジカルがプロセスにおいて重要である可能性もある。
一般に、本発明がアブレーションスレッシヨルドより下で実施された場合、反応剤がダイヤモンドと直接反応してアモルファスのすす状堆積物を除去せず、アモルファスカーボンは形成されないと考えられる。石表面の各部はグラファイト化温度未満の温度に加熱されると考えられる。この温度はほとんどのダイヤモンドにおいて約１８００℃であるが、空気が存在すると、約７００°において黒色層が形成され始める。
反応剤
ダイヤモンドと反応する任意の適切な反応剤を用いることができる。米国特許台５，３３４，２８０号には可能な気体について議論されている。好ましい反応剤は流体、好ましくは気体であり、好ましい気体は空気などの酸化性気体である。ただし、酸素以外の気体を用いることも可能である。照射領域から酸素が排除されるとエッチングプロセスの効率は低下する。
放射
任意の適切な放射源を用いることができるが、現在商業的に入手可能な唯一の適切な放射源はレーザである。任意の適切な波長を用いることができるが、波長は好ましくは紫外、すなわち、約４００ｎｍ未満である。全ての公知のダイヤモンドは約２２５ｎｍ未満の照射に対して不透明（そして、約３００ｎｍ未満の照射に対してほどんど不透明）なので、波長、あるいは、照射すなわち紫外又は可視放射のエネルギーの少なくとも有意なパーセント、例えば５０％を占める波長は、好ましくは、約２２５ｎｍ又は約３００ｎｍを越えない。この結果、照射は石の表面でのみ吸収され、石へ数ミクロンしか侵入せず、これにより、エネルギーの大部分はマークが形成されるべき特定の部位の加熱に供され、石全体を有意な程度に加熱することが防止される。望むならば、２以上の放射源を用いることもできる。
パルス及びエッチング速度
放射源がパルス化されることが非常に望ましい。多重パルスを用いた場合、マーク深さがほぼパルス数に比例し、そのため、上述の如く、非常に浅いマークを制御可能に形成できるという点で、プロセスは制御可能となる。望むならば、プロセスの実行中に、例えば高感度干渉技術を適当なフィードバックと共に用いて、深さを監視することができる。エッチング速度が結晶方位又はダイヤモンド型によってかなり変化するならば、結晶方位及び／又はダイヤモンド型がエッチング開始の前に決定されるべきである。照射される位置又はスポットあたり、例えば約１００、５００、又は８００パルスといった多数のパルスが付与されることが好ましい。しかしながら、時間を妥当な限度に維持するため、約５０００又は３０００又は１５００以下のパルスを付与するのが好ましい。好ましい値は約１０００パルスである。このため、１パルスあたりの低い流束量と高いパルス数との組み合わせを用いて、例えば顕微鏡技術を用いて見るのに十分な深さのマークを設けつつ、石に損傷を与えるのを防止することができる。高いパルス数により、アブレーションレベル未満で処理し、顕微鏡技術を用いて見えるマークを得ることが可能となる。
除去速度は比較的遅く、好ましくは、１パルスあたり約０．１又は０．０５又は０．０３又は０．０２ｎｍ以下である。パルス化照射の場合、最大エッチング速度は、１パルスあたり約１原子層以下とするのが妥当である。これは、１パルスあたり約０．１８ｎｍに相当する。これまで、この値の約２３％、すなわち、１パルスあたり約０．０４２ｎｍの最大エッチング速度が達成されている。この速度を、例えば、異なる反応気体又は混合気体を用い、又は、反応剤の圧力又は濃度を変化させ、又は、気体以外の反応剤を用いることにより改善することが可能である。速度の更なる改善は、ダイヤモンド全体を室温よりも高温又は低温に保持することにより実現される。種々のパルス長を有する、強力な照射の他の放射源が入手可能となるにつれて、これらの放射源の１つが現在のところ好ましいとされるフッ化アルゴンエキシマレーザよりも優れていることがわかる可能性がある。除去量は好ましくは１パルスあたり約０．００２５又は０．００５又は０．００８又は０．０１ｎｍである。
プロセス速度は、鋸引きなどのプロセスや、例えば１０ミクロンより深い構造の形成において用いるには遅過ぎる。しかしながら、研磨ダイヤモンドの表面に非常に浅いマークを形成するうえでは理想的に好適である。
繰り返し速度
繰り返し速度は、十分な熱分散を保証するため、好ましくは、約５００又は２００Ｈｚ以下である。ただし、実験的には、約２０Ｈｚの繰り返し速度が使用された。
流束量
特に明示しない限り、流束量は、照射される位置での値（石の各部の表面に侵入するエネルギー）をいう。石の損傷を排除するため、アブレーションは排除される。流束量は低くされるべきであり、好ましくは、１パルスあたり約５又は３又は２．５又は２又は１．２Ｊ／ｃｍ²（ジュール／ｃｍ²）以下である。使用した実験装置では、流束量が１パルスあたり２〜３Ｊ／ｃｍ²を越えた場合にアブレーションが発生した。その正確な値は試料に依存し、他の装置では幾らか異なる値となる。エッチング速度は流束量の増加に応じて急速に増加するので、アブレーションを排除する上記要求に適合する、すなわち、反応がアブレーションスレッシヨルド未満で行われる大きさの流束量を用いることが望ましい。流束量は好ましくは１パルスあたり約０．０５又は０．１又は０．１５又は０．２Ｊ／ｃｍ²以上であり、好ましい値は、パルス長が約３０ナノ秒、波長が１９３ｎｍの場合、１パルスあたり約０．８５Ｊ／ｃｍ²である。この値は、照射される領域での２８×１０⁶Ｊ／秒／ｃｍ²のピークパワーと等価である。異なるパルス長又は波長が用いられるならば、それに応じて流束量は調整されるべきである。流束量はパルスごとに測定されるので、異なる技術及びずっと短い波長を用いて、所望の流束量を上記した値よりも十分に低下させることが可能である。
ダイヤモンド取付手段
以上に関連して、又は、以上とは独立に、ファセットの処理のため宝石を取り付ける取付手段は、基準面を画定する手段（例えば１又は２以上の基準面）、及び、ファセットが基準面と同一平面上に位置するように宝石を保持する調整可能宝石支持手段を備え得る。単純な実施例において、取付手段は、基準面を画定する平面表面を備え、この平面表面に宝石を受容する凹部が設けられた支持部材と、宝石の背面と支持部材との間に変形可能材料を受容する前記凹部内の空間とよりなる。
好ましい実施例
本発明について一例として添付の図面を参照して更に説明する。
図１は、本発明の方法を実行する第１の装置の部分断面構成図である。
図２は、本発明の方法を実行する第２の装置の部分断面構成図である。
図３は、酸素の存在（ｍｂａｒ）に対する１パルスあたりのエッチング深さ（ｎｍ）を示すグラフである。
図１
例えば「Ｑｕｅｓｔｅｃ２０００」であるフッ化アルゴンエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）１を用いてマスク２が照射された。マスク２は、溶融シリカ基板上に堆積されたクロム層より構成されている。マスク２の透明領域は、高さ約１．２５ｍｍのアルファベット文字より構成されている。代わりに他のタイプのマスクを用いることができ、また、アルファベット文字以外の特徴をマスク２に設けてもよい。
レーザ光を縮小（対物）レンズ系４へ導く視野レンズ３がマスク２の後方に設置された。レンズ系４は、焦点距離が２０ｍｍの空気離間型二重レンズであり、マスク２から５００ｍｍの位置に配置されている。エキシマレーザリソグラフィー技術の当業者には公知の如く、ビームホモジナイザ及び／又はレーザ減衰器などの他の光学部品をレーザ１とマスク２との間に設けてもよい。
紫外反射ミラー５は光学系を屈曲させ、ＣＣＤカメラなどのカメラ装置６がプロセスを観察し、位置決めを助けることを可能とする。紫外ミラー５は可視光に対して本質的に透明であり、従って、ダイヤモンド７はミラー５を通して観察される。同様の結果を実現する他の構成は当業者に公知である。あるいは、ミラー５及びカメラ装置６を省略してもよい。
縮小レンズ系４は、マスクの像を２５倍の縮小倍率でダイヤモンド７の表面に形成する。代わりに、反射素子を用いる光学系を含む他の光学系を用いてもよい。流束量を所望値に維持するようにレーザパワーが調整されるならば、他の縮小倍率を用いてもよい。
レンズ系４には開口絞りが装着され、画像化系の解像度及び焦点深さを制御する。当業者には公知の如く、画像化系の空間的コヒーレンスは、絞りがどの程度レーザビームにより照射されるかを制御することにより変更される。これは、例えば、視野レンズ３の構成を変更することにより実現される。コヒーレンスの高い光源は像の、特にリンギングが観察される特徴部のエッジ近傍にアーティファクトを生じさせることがある。これは安全特徴として活用され得る。あるいは、縮小レンズの開口のより大きな部分を照射することにより、アーティファクトを排除してもよい。これを行うのに適した方法は、レーザ１とマスク３との間にビームホモジナイザを設けることである。この場合、平均化の度合いが高い流束が得られる。これは、特徴エッジの近傍にダークニングを生じさせる危険を伴うことなく、エッチング速度を上昇させることになる。その代わりに、リンギングが生ずることになろう。ビームホモジナイザの使用は、マスクが均一に照射されることが保証されるという更なる利点を有している。また、レーザの偏向が、像の特性を変化させるために制御されてもよい。
ダイヤモンド７は、原石を鋸引きし、ブルーティング、ブロッキング、及び研磨を行う通常の手順により形成されたブリリアントカットの宝石である。ダイヤモンド７は通常通りテ−ブルを有している。ダイヤモンド７は、気体環境の制御を可能とする気体セル又は筐体９の内部の台座８に取り付けられている。マーク形成が空気中で行われるならば、又は、気体が管やノズルから試料に吹き付けられるならば、筐体９を省略してもよい。
筐体９、あるいは筐体９が設けられない場合には台座８は、３軸変位ステージ１０に装着されている。光軸に対して垂直な２方向の調整は、石を位置決めするのに用いられる。第３の方向の調整は、縮小レンズ系４により形成される像の焦点にダイヤモンド７を位置させるのに用いられる。これは、顕微鏡１１を用いてテーブルの位置を観察することにより容易化される。
予め位置合わせされた複数の石をカセット上に位置決めし、それぞれについて順番にマークを形成するなどの他の構成を用いることもできる。ダイヤモンド７の向きは異なってもよい。例えば、ダイヤモンド７の軸は水平方向を向いてもよい。プロセスは自動化されている。
図２
図２の装置は、本質的には、図１の装置と同様であり、同様の部分には同一の符号が用いられている。
Ｌａｍｂｄａ Ｐｈｙｓｉｋ ＧｍｂＨ社（ドイツのＧｏｅｔｔｉｎｇｅｎ）製「Ｃｏｍｐｅｘ２０５」エキシマレーザ１が、ＡｒＦと共に動作して波長１９３ｎｍのパルス化照射を形成するように構成された。レーザにより発生されたビームは、幅が約１０ｍｍ、高さが約２５ｍｍであった。スペクトル線幅又はレーザの広がりを減少させることが試みられたが、これは望ましい場合にのみ行えばよい。
Ｅｘｉｔｅｃｈ社（ＯｘｆｏｒｄｓｈｉｒｅのＬｏｎｇ Ｈａｎｂｏｒｏｕｇｈ）が供給する装置を用いて、レーザからの放射が、マークを形成すべきダイヤモンドへ導かれた。ビームは先ず調整可能レーザ減衰器２１に入る。レーザ減衰器２１は入射ビームの一部のみを通過させ、究極的には、ダイヤモンド表面における流束量の制御を可能とする。残存した放射は次にアナフォルミック望遠鏡２２に入る。アナフォルミック望遠鏡２２は、その出力に約２０ｍｍ平方のビームを生成する。
次に、放射はミラー２３により二重レンズアレイビームホモジナイザ２４へ導かれる。第１のレンズアレイ２５は、このビームを３６本の別個のビームに分割する。３６本のビームは、第２のアレイ２６に対応するレンズが３６本の発散出力ビームを形成するのを遮る前に、それぞれ独立に集束される。出力レンズ２７は、３６本のビームがマスク２の面で重なり合うように、各ビームを偏向させる。アレイ２５、２６間の距離、及びマスク２までの距離は、マスク２での照射が第１のアレイ２５のレンズの各々の像と重なり合うように設定されている。この構成により、マスク面上に約１２ｍｍ平方の均一な照射領域が形成される。
３つのミラー２８、２９、３０がホモジナイザ２４とマスク２との間に配設されている。これらのレンズは、装置をより小型化するために設けられている。マスク２の直前に設けられた視野レンズ３は、各照射ビームを縮小レンズ４の入射瞳へ集束させる。
以下に示す例２の場合、マスク２は、「１９５１ＵＳＡＦテストパターン」として一般に知られる光学的テストパターンより構成される。マスク２は、溶融シリカ基板上に堆積されたクロムより製作された。このテストパターンにより、装置分解能の測定が可能となった。ダイヤモンドに情報マークを形成する目的では、代わりにアルファベット数字文字などからなる他のマスクを用いてもよい。マスク２は、複数の基本マスクから製作されてもよい。マスク２の構成部分は、各ダイヤモンド７が部分的に独自のマークを受けるように変更されてもよい。マスク２の他の部分は、各ダイヤモンド７が部分的に同一のマークを受けるように同一に保たれてもよい。
紫外反射ミラー５は、縮小レンズ４の前で光学系を屈曲させ、これにより、可視光に感応するＣＣＤカメラ装置６がプロセスを観察し、位置合わせの補助して動作することが可能となる。モニター画面３１が示されている。紫外ミラー５は可視光に対して本質的に透明であり、従って、ダイヤモンド７はミラー５を通して観察可能である。
しかしながら、レーザの小さくかつ一定の部分（約１％）がミラー５を通過する。紫外放射に感応し、ビームプロファイラとして知られる第２のＣＣＤカメラ３２は、マスク２の画像を形成する。ビームプロファイラ３２からの画像はコンピュータ３３に取り込まれて処理される。ビームプロファイラ３２は、いったん較正されると、プロセス中に、ダイヤモンド７の表面での流束量を測定することを可能とする。この較正は、ジュール計（Ｍｏｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ社（米国オレゴン、ポートランド）製のＪ５０ヘッド付きモデルＥＭ５００）を用い、１パルスあたり試料に付与される全エネルギーをプロファイラ３２からの信号と比較することにより行われた。
本実施例において、縮小レンズ４は約６８ｍｍの焦点距離を有していた。このレンズ系は、１０倍の縮小倍率と０．１５の開口数を有していた。ホモジナイザ２４により生成される各ビームを受け入れるため、比較的大きな開口が必要とされる。
ダイヤモンド７は縮小レンズ４の下方において台座８に取り付けられている。台座は、マークが形成されるべきダイヤモンドファセットを、基準表面あるいは台座８に設けられた面により画定された平面と一致するように位置決めするのを容易とする。例えば、本質的に円筒状であり、上底面に凹部を備える台座８が用いられる。この場合、台座８の上底面は主基準面となり、ダイヤモンド７は上底面より完全に下方に収容され、マークが形成されるべきファセットは上底面と同じ高さとなる。
ダイヤモンド７を支持するため、「プラスチン」（商標名）などの材料３４が凹部に設けられる。次に、ダイヤモンド７が、例えば平面ガラス板を用いて、この板が主基準面と完全に接するまで台座８に押し込まれる。更に、ファセットの中心が台座８の中心と一致することが望ましいならば、ダイヤモンド７を最終的な位置まで押し込む前に、ダイヤモンド７の中心決めを行う他の手段を設けてもよい。しかしながら、位置決めされるべきファセットがテーブルファセットであり、ダイヤモンドがラウンドブリリアント形状であるならば、台座８の円錐形くぼみにより、更なる措置を講ずることなく、ダイヤモンドは適切に中心決めされる。
主基準面から制御された距離に位置する第２の表面を台座８に設けてもよい。この表面は、台座８をカセット３５の適当なホルダに位置決めするのに用いられる。これにより、いったんカセット３５に位置決めされると、マークが形成されるべき表面がカセット３５に対して既知の位置に存在することになる。カセット３５自体は、３軸変位ステージ１０に取り付けられ、表面の所望の領域が縮小レンズ４により形成されたマスク像の焦点位置に位置決めされる。
ダイヤモンド７及び台座８を取り囲むセル９には、放射が入るのを可能とする窓３６が設けられている。カセット３５はセル９の基部を構成している。実験のため、セルは真空気密に構成され、真空ポンプ装置に接続された。この真空ポンプ装置により、照射中に、セル９内に種々の圧力の気体を存在させることが可能となった。通常は、減圧下で作動することは望ましくないので、セル９を上述のように構成する必要はない。実際、エッチングは空気中でも十分な速度で進行するので、セル９を省略してもよい。
例えばＥｘｉｔｅｃｈ社より供給されるレーザレンジファインダー装置（図示せず）を用いて、ダイヤモンド表面の平面と、マスク像の最良のフォーカス面との一致を保証するのを支援してもよい。このため、更なる２つの窓３７、３８がセル９に設けられる。これらの窓により、レンジファインダーからのビームがセル９に入り、ダイヤモンド７の表面で反射し、セル９から出てレンジファインダの検出側に入ることができる。装置１０により焦点調整が行われると、（固定された）レンジファインダービームとマークが形成されるべきダイヤモンドファセットとの交点は移動する。この交点の（やはり固定された）レンジファインダー検出側に対する見かけ上の相対位置が検出される。いったん較正されると、この位置は、マスク２の像に対するダイヤモンド表面の相対高さの測定値として用いられる。
例１（図１に示す装置が用いられる）
レーザ１は、２０Ｈｚの速度で持続時間が約３０ナノ秒のパルスを発生する。マーク形成をより迅速に行うため、例えば２００Ｈｚなどの、より高い繰り返し速度のレーザを用いることが好ましい。ダイヤモンド７での流束量は１パルスあたり０．２〜１．２Ｊ／ｃｍ²の範囲に設定された。好ましい値は約０．８５Ｊ／ｃｍ²である。典型的には、空気（２０％の酸素、８０％の窒素）において、１０００パルスを用いて（５０秒で）深さ１０〜２０ｎｍのマークが形成される。プロセス条件の所与の設定に対して、マークの深さは、その形成に用いられたパルス数に比例する。プロセスが窒素パージされた空気中、すなわち、僅かなパーセントの酸素を含む窒素環境下で行われた場合、エッチング速度は大きく減少した。純粋窒素環境ではエッチングは生じないと考えられる。プロセスが良好な真空中（１０^-6ｍｂａｒ）で行われた場合、観察可能なエッチングは生じなかった。
形成されたマークは、高さ約５０ミクロンのアルファベット文字列であり、形状深さを測定する干渉顕微鏡の使用を含む光学顕微鏡により検査された。マークはダークニングの兆候がない非常に高い品質を有していた。幅１．５ミクロンの線が形成された。より大きなマークにおいて、マークの底部は研磨ダイヤモンド表面と同じ位平滑であった。研磨ダイヤモンドに典型的に観察される非常に微細な研磨線は、本プロセスにより複製される傾向がある。線形状の深さはしばしばエッジ近傍において、コヒーレンスアーティファクトと称される系統的な変動を示した。これは、レーザ光源の回折及びコヒーレンスの影響により生じたレーザ流束量の変動によるものと考えられる。
浅い情報マークが高品質宝石ダイヤモンドのテーブルに形成された。専門家が１０倍のループを用いてもマークを見ることはできず、マークが石の清澄性すなわち価値を損なうものでないことを確信した。
例２（図２の装置が使用される）
種々の結晶方位のダイヤモンド表面が第２実施例の装置を用いて照射された。温度は室温であった。マスク２は１９５１ＵＳＡＦ検査ターゲットであった。試料の各試料領域は４分間、パルス速度５０Ｈｚにおいて露光され、１２０００個のパルスが送出された。
先ず、形成されたマークが、例１で存在したコヒーレンスアーティファクトの形跡がない非常に高い品質を有することが観察された。照射がより均一であったので、マークのエッジ近傍に黒化又はアブレーションを生じさせる危険を伴うことなく、例１の場合よりも高い平均流束量を用いることができた。詳細には、大気圧酸素の反応剤環境を用いた場合、安全に用いることができる最大流束量は、＜１１０＞結晶面について約１．８Ｊ／ｃｍ²、＜１１１＞結晶面について２．０Ｊ／ｃｍ²であり、＜１００＞結晶面については２．２Ｊ／ｃｍ²を越えた。
反応剤環境の重要性を判定するため、一連の照射が種々の酸素圧力下で行われた。圧力は、１０^-6ｍｂａｒから１０００ｍｂａｒ（１０００ｍｂａｒ＝１０⁵パスカル）の範囲で変化された。ペニングゲージを用いて１０^-6から１０^-3ｍｂａｒの間の圧力が測定された。ピラニーゲージが１０^-3から１０²ｍｂａｒの範囲をカバーした。機械式ダイヤルゲージが１０²から１０³ｍｂａｒの範囲をカバーした。接続点において各ゲージが一致することを保証するため注意が払われた。しかしながら、圧力の読み取りにおける系統的誤差が生じ得る。圧力を制御するため、シリンダーからレギュレータ、流量計、及びニードルバルブを解して酸素が導入された。これは、１０^-1を越える圧力においては実用的でないので、ポンプバルブがオフされた状態で、実行開始時に所望の圧力が装置に充填された。
テストパターンが良好に解像された領域について、マークの深さが「Ｍｉｃｒｏｍａｐ」により測定された。エッチング速度（１パルスあたりの深さ）が計算された。典型的な結果の組が図３のグラフに示されている。この試料では、酸素が１０００ｍｂａｒ、流量が約１．８Ｊ／ｃｍ²の場合のエッチング速度は１パルスあたり約０．０４２ｎｍであった。この値は、１パルスあたり約０．２３原子層に相当する。試料面は＜１１１＞方位を有していた。これらの条件を用いて、十分な深さ（例えば１０ｎｍ）の情報マークが約５秒（約２５０パルス）で形成された。
圧力が低下するとエッチング速度は減少し、本装置が実現できる最低圧力（６．５×１０^-6ｍｂａｒ）において、１０００ｍｂａｒにおける速度の約１．７％まで減少した。試料が、マーク形成のために望まれるパルス数よりも多くのパルスに露光されなければ（２５０ではなく１２０００）、最低圧力において形成されるマークは浅すぎて観察できなかった。
中間圧力（例えば１０^-2から１０ｍｂａｒの間）では、複雑でしばしば以上な振る舞いが観察された。試料方位及び流束量によっては、酸素圧力が増加してもエッチング速度が一定に保たれる場合があることが観察された。金属顕微鏡を用いて試料を注意深く観察することにより、この異常な振る舞いは、マークの底部に非ダイヤモンド「変質」層が部分的に存在することに関連することが示された。
形成された層は周囲のダイヤモンドよりも暗いので、この層は望まれる以上に見え易いマークとなった。
更に、試料が、望ましくない層を形成させることが知られている条件（例えば＜１１０＞試料に対して１ｍｂａｒの酸素圧及び１．７Ｊ／ｃｍ²）の下で照射され、観察可能な層が形成された後、より高い圧力（例えば１００ｍｂａｒ）で照射された場合、変質層は速やかに除去された。従って、変質層の形成は不適当な酸素供給と共にエッチングを試みることに関連すると結論付けられる。十分な酸素が存在する場合、変質層はその形成と同じ位速く除去される。
本発明を単なる一例として説明したが、本発明の精神の範囲内で変更を施すことができる。

Claims (9)

1. ダイヤモンド宝石の研磨ファセット面のそれぞれの部位を、該ファセット面の照射部と反応する反応剤の存在の下に、約４００ｎｍより短い波長を有する放射で照射し、形成すべきマークを生じさせる段階を備える、ダイヤモンド宝石の研磨ファセット面に、裸眼で見えない情報マークを形成する方法であって、
   照射された部位における１パルスあたりの流束量は約３Ｊ／ｃｍ²以下、かつ、前記形成されたマークに実質上ダークニングが生じるアブレーション閾値未満であり、これにより、前記形成されたマークは１０倍のルーペを用いても裸眼に見えず、
   照射位置あたり約１００以上のパルスを用いることを特徴とする情報マーク形成方法。
2. 前記照射位置での流束量を約２Ｊ／ｃｍ²以下とする請求項１記載の方法。
3. 前記それぞれの部位を２２５ｎｍ未満の波長を有する放射で照射する請求項１又は２項記載の方法。
4. 前記情報マークを前記ダイヤモンド宝石のテーブルに形成する請求項１乃至３のうち何れか１項記載の方法。
5. 前記反応剤は気体である請求項１乃至４のうち何れか１項記載の方法。
6. 前記反応剤は酸化性気体である請求項５項記載の方法。
7. 前記反応剤は空気である請求項６記載の方法。
8. 前記情報マークは約１ｎｍ以上、かつ約１００ｎｍ以下の深さを有する請求項１乃至７のうち何れか１項記載の方法。
9. 請求項１乃至８のうち何れか１項記載の方法を実行する装置であって、
   ダイヤモンド宝石を取り付ける手段と、
   前記宝石の研磨ファセット面を約４００ｎｍ未満の波長を有するパルス化放射により、照射位置での流束量が１パルスあたり３Ｊ／ｃｍ²となるよう放射位置あたり約１００パルス以上で照射する放射源及び光学的手段と、
   前記ファセット面の照射部と反応する反応剤を前記照射位置に存在させ、形成すべきマークを生じさせる手段とを備える装置。

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