專利名稱：金剛石標記的制作方法
背景技術：
本發明涉及在金剛石或寶石表面上加標記的方法。標記可以是任何標記，但是本發明并不特別專指對金剛石或寶石施加信息標記。金剛石可以是例如工業金剛石如拉絲模或金剛石光學部件，然而本發明對寶石金剛石加標記特別感興趣，例如施加肉眼看不見的或用10倍小型放大鏡眼睛也看不見的標記，當把標記施加在寶石拋光的刻面上時，不損傷其透明度或顏色等級。當使用小型放大鏡時，按照國際上對透明度等級的可接受條件，可以對清晰度進行估計，即在標準光線，此光為白色散射光，不是點光下，使用放大10倍的消色差、消球差放大鏡。標記可借助于序號或品牌形式或質量標記用于獨一無二地鑒定寶石。一般說來，標記在合適的放大倍數和觀察條件下應能被檢驗，而且若用于寶石時，不應損傷寶石的價值或外觀而且還優選不顯示變黑現象。
WO 97/038 46詳細地描述了所施加的標記特征，其中標記是通過用投射掩模在紫外激光照射下處置金剛石寶石施加上的。
通常理想的是能產生分辨率改進的標記和縮短施加標記所必需的時間，以便能加上例如序列。
發明按本發明第一方面，用聚焦離子束在金剛石或寶石表面上打上標記，標記用肉眼看不見。本發明延伸至按本發明方法打上標記的金剛石或寶石，還延伸至用于完成本發明方法的設備。
通過因聚焦離子束直接寫在金剛石或寶石表面上能完成加標記。通常使用鎵離子，但別的合適離子束也可替代使用。通過限制劑量，碳原子的濺射基本上能被避免，濺射能引起直射物質的逸失；這樣能使有待于施加的標記具有可控的深度和良好的分辨能力。通過限制劑量，且提供足夠的劑量，入射離子能引起晶格無序。在金剛石的情況下，會把金剛石轉化成能被清洗掉的石墨狀或其他非金剛石結構，例如使用酸或溶于酸中的硝酸鉀，留下不少于10nm深和/或不大于70nm深，優選不少于20nm深和/或不大于約50nm深，典型的約30nm深的淺標記，無變黑的跡象。等離子體蝕刻也可以代替酸清洗使用。
但是，在優選實施方案中，通過離子束在金剛石或寶石上形成的無序層可通過有效的氧化劑，如熔融的硝酸鉀去除。這種方法能使標記在指定的離子電流下以較低的劑量和由此以較短的時間形成。換句話說，產生尺寸較小斑點的較低離子束電流可用于形成以分辨率較高為特征的，例如衍射光柵的標記。
借助于離子作用范圍可測量晶格無序的深度。對于50keV的鎵來說，所述范圍約30nm。最小劑量可低到1013/cm2，然而優選在約1014/cm2-1015/cm2。但是，用還算適宜的劑量也可以用于良好的標記，優選最大劑量約1016/cm2或甚至高達約1017/cm2。然而，劑量取決于所使用的離子及其能量(按keV計)。在加標記的過程中，離子束劑量是樣品表面上單位面積的入射離子總數。離子束電流可約1nA，且束能量不低于約10keV或約30keV和/或不大于約100keV或50keV。
已經發現若標記的深度對照一系列不同束能量的離子束劑量作圖，存在著標記的深度隨著束能量的提高而提高。標記的特征可通過選自會導致標記預定深度的劑量/能量組合而得到優化。
待加標記的區域和/或四周的區域在制成標記之前，可先涂上導電層，例如金，以便在用離子束加標記之前能提供電連接，從而防止荷電。金或其他涂層的厚度改變著標記深度隨著束能量和劑量的變化，因此可經選擇以優化產生的標記。
減少荷電的其他合適的方法也可以使用。一種方法是使用低能量的離子束例如約3-約10keV，在形成標記之前，處置有待于加標記的區域，以改良金剛石的表面使其變成導電性的，為該區制成電連接。在優選實施方案中，用于加標記的離子束可與電荷抵消裝置如電子槍一起使用，正如在US專利說明書US-4 639 301中所描述的，以防金剛石表面荷電。
按照本發明第二方面，提供一種在金剛石或寶石表面加標記的方法，該法包括的步驟有處理至少部分所述金剛石或寶石以在其上形成損壞或晶格無序層；再使用氧化劑除去所述無序層。
本發明第二方面優于酸清洗的進一步優點是沒有酸霧產生而且還在于廢酸不必處理，由此改進了方法的安全性以及為環境和經濟提供好處。
優選的氧化劑是熔融硝酸鉀。優選方案是使金剛石或寶石涂上硝酸鉀再加熱至約380-550℃的溫度數分鐘-若干小時，最好約1小時。
其他合適的有功效的氧化劑包括熔融化合物如堿金鹽。合適的化合物可以是XnYm形式的，式中基團X可以是Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、或其他陽離子，而基團Y可以是OH-、NO3-、O22-、O2-、CO32-或其他陰離子；整數n和m可用于保持電荷平衡。可以使用化合物的混合物。空氣或其他含氧的化合物也可以存在。
應用這樣的一些氧化劑去除無序層可使用較低劑量的離子形成預定深度的標記。
在優選實施方案中，按本發明第一方面用離子束處理金剛石或寶石，最佳的是鎵離子束。能產生顯著有效方法的第二方面方法的優選實施方案，在每次入射鎵離子情況下最終都會導致除去大約2700個碳原子。在除金剛石以外的大多數物質中，這一數值在約1-10。
正是金剛石的這一性能才使得在約10秒鐘的適當、經濟的時間內，在機械制成的0.43mm×0.16mm面積上被較大的構形如字母數字混編記號所覆蓋。
本發明的方法還可用于為合成寶石表面加標記，如WO 97/09470中所描述的碳化硅寶石。
實施例金剛石寶石被固定在一個合適的夾具上并在刻面上涂一層金。把樣品放入真空室，該室裝有例如由FEI或Micrion供應的聚焦離子束源，夾具成為金涂層的電連接，以防金剛石荷電。使用具有以例如靜電偏轉掃描離子束的光柵掃描或類似物的聚焦離子束(作為替代方法，可使金剛石移動，但這種方法不太適用)，標記在1015-1016/cm2劑量的離子下寫在金剛石的刻面上，離子源是鎵，離子束電流為1nA，離子束能量為30-50keV。從真空郅以出樣品之后酸清洗以除去無序層和金屬層。存在的淺標記典型深度約30nm，無變黑痕跡。
上面僅通過實施例對本發明進行了說明，在本發明的精神范圍內還能作出一些改進方案，本發明還可延伸至已述特征的等價物。本發明還在于已述或本說明書暗示的或者附圖
中說明的或暗示的任何各個特征，或者任何所述特征的任何組合，或任何所述特征或組合的任何推廣。個特征，或者任何所述特征的任何組合，或任何所述特征或組合的任何推廣。
權利要求
1.寶石表面加標記的方法，包括用聚焦離子束制成標記，其中標記是肉眼看不見的。
2.按權利要求1所述的方法，其中寶石是金剛石。
3.按權利要求1所述的方法，其中寶石是碳化硅寶石。
4.寶石表面加標記的方法，包括的步驟有處置至少一部分所述寶石以在其上形成無序層；再使用氧化劑除去所述無序層。
5.按權利要求4所述的方法，其中寶石是金剛石。
6.按權利要求4所述的方法，其中所述寶石是碳化硅寶石。
7.按權利要求4-6中任一項所述的方法，其中寶石用離子束處置。
8.按權利要求7所述的方法，其中寶石用聚焦離子束處置。
9.按權利要求1-3中任一項所述的方法，其中寶石的表面通過所述聚焦離子束處置以在其上形成無序層，所述無序層使用酸去除。
10.金剛石表面加標記的方法，包括用聚焦離子束制成標記，其中標記是肉眼看不見的。
11.按權利要求10所述的方法，其中金剛石的表面借助于所述聚焦離子束處置以在其上形成無序層，并且所述無序層用酸除去。
12.金剛石表面加標記的方法，包括的步驟有處置至少部分金剛石以在其上形成無序層；再使用氧化劑除去所述無序層。
13.按權利要求12所述的方法，其中金剛石使用離子束處置。
14.按權利要求13所述的方法，其中金剛石使用聚焦離子束處置。
15.按權利要求9或權利要求11所述的方法，其中所述無序層使用溶解于酸中的氧化劑去除。
16.按權利要求15所述的方法，其中所述無序層使用溶于酸中的硝酸鉀去除。
17.按權利要求1-3、7-11或13或14中任一項所述的方法，其中標記在不大于約1017/cm2的劑量下形成。
18.按權利要求1-3、7-11或13或14中任一項所述的方法，其中標記在不大于約1016/cm2的劑量下形成。
19.按權利要求1-3、7-11、13、14、17或18中任一項所述的方法，其中標記在不大于約1016/cm2的劑量下形成。
20.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-19中任一項所述的方法，其中標記在不低于約1014/cm2的劑量下形成。
21.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-19中任一項所述的方法，其中標記在不低于1013/cm2的劑量下形成。
22.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-21中任一項所述的方法，其中束電流約1nA。
23.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-21中任一項所述的方法，其中束電流約0.5nA。
24.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-21中任一項所述的方法，其中束電流約0.1nA。
25.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-24中任一項所述的方法，其中離子束能量約10-約100keV。
26.按權利要求25所述的方法，其中離子束能量約30keV-約50keV。
27.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-26中任一項所述的方法，其中離子束是鎵離子束。
28.按前述權利要求中任一項所述的方法，其中標記深度約10-約70nm。
29.按前述權利要求中任一項所述的方法，其中標記深度約20-約50nm。
30.按前述權利要求中任一項所述的方法，其中標記深度約20-約30nm。
31.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-30中任一項所述的方法，包括在標記形成前使所述表面涂上導電層。
32.按權利要求27所述的方法，其中涂層是金。
33.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-30中任一項所述的方法，其中有待于加標記的區域在標記形成前用低能量離子束處置，以改善金剛石表面以使其成為導電性的。
34.按權利要求1-3、7-11、13、14或17-30中任一項所述的方法，其中有待于加標記的區域使用電荷抵消裝置同時處置。
35.按權利要求33所述的方法，其中所述低能量離子束的能量約3-10keV。
36.按前述權利要求中任一項所述的方法，其中標記是信息標記。
37.按前述權利要求中任一項所述的方法，其中標記使用10倍放大鏡是眼睛看不見的。
38.按權利要求4-6或12-14中任一項所述的方法，其中標記是肉眼看不見的。
39.按前述權利要求中任一項所述的方法，其中標記施加到寶石拋光的刻面上。
40.按權利要求1-3或10中任一項所述的方法，其中金剛石或寶石的表面借助于所述聚焦離子束處置以在其上形成無序層，且所述無序層用氧化劑除去。
41.按權利要求4或40所述的方法，其中氧化劑是硝酸鉀。
42.按權利要求4、15或41所述的方法，其中氧化劑是至少以XnYm形式的一種化合物，式中基團X是Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、或其他陽離子，基團Y是OH-、NO3-、O22-、O2-、CO32-或其他陰離子；整數n和m用于保持電荷平衡。
43.按任意前述權利要求所述的方法，包括的步驟有用離子束處置至少一部分寶石以在其上形成無序層并且用熔融硝酸鉀基本上覆蓋無序層以除去所述無序層。
44.按前述權利要求所述的任一方法，包括的步驟有用離子束處置至少部分金剛石以在其上形成無序層并使熔融硝酸鉀基本上覆蓋無序層，以除去所述無序層。
45.按權利要求42或權利要求43所述的方法，其中維持所述寶石或金剛石和熔融硝酸鉀的溫度約1小時。
46.寶石表面加標記的方法，基本上按前述實施例所述。
47.金剛石表面加標記的方法，基本上按在前術實施例中所述。
48.一種通過前述權利要求任一所述的方法加上標記的寶石。
49.一種通過任何前述權利要求所述的方法加上標記的金剛石。
50.一種通過任何前述權利要求所述的方法加上標記的碳化硅寶石。
全文摘要
肉眼看不見的信息標記施加到金剛石寶石拋光的刻面上,是通過使金剛石寶石表面涂上導電層以便阻止金剛石帶電,并用聚焦離子束制成標記,再用有效的氧化劑清洗金剛石表面以顯示具有適當深度的標記,這對金剛石的透明度或顏色等級都沒有不利的影響。
文檔編號H01J37/305GK1265066SQ98807468
公開日2000年8月30日 申請日期1998年5月22日 優先權日1997年5月23日
發明者J·G·C·史密斯, A·D·G·斯特瓦特 申請人:杰桑企業