МАРКИРОВКА АЛМАЗОВ ИЛИ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ С ПОМОЩЬЮ МНОЖЕСТВА ШТРИХОВ Российский патент 2003 года по МПК B44B7/00 G02B21/00 

Изобретение относится к способу и устройству для формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, которая содержит один или несколько единичных знаков. Метка может быть любой меткой, но изобретение, в частности, но не исключительно, направлено на нанесение информационной метки на алмаз, и знаки могут быть буквенно-цифровыми знаками или подобными символами. Алмаз может быть, например, промышленным алмазом, таким как фильера для волочения, хотя изобретение представляет особый интерес при маркировке драгоценных алмазов, и особенно для нанесения метки, которая невидима невооруженным глазом или невидима для глаза при использовании лупы с десятикратным (х10) увеличением (то есть лупы, которая используется ювелирами), когда метку можно нанести на полированную грань драгоценного камня без отклонения от его степени чистоты.

Метки можно использовать для уникальной идентификации драгоценного камня по порядковому номеру или в качестве его марки или знака качества, но они не должны уменьшать ценность или ухудшать внешний вид камня и не должны, предпочтительно, производить затемнения.

В патенте WO-97/03846 приведено подробное описание характера меток, которые можно наносить путем облучения граненого драгоценного камня излучением ультрафиолетового лазера с использованием проекционной маски.

Метки необходимо получать обычно с улучшенным разрешением и видимостью при просмотре с использованием соответствующего увеличения или условий освещения, причем метки должны быть такими, чтобы они не уменьшали ценности и не ухудшали внешний вид алмаза или другого драгоценного камня. Задачей изобретения является улучшение или устранение по меньшей мере одного из недостатков предшествующего уровня техники или выполнение полезного альтернативного варианта.

Сущность изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечен способ формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, которая содержит один или несколько единичных знаков, причем способ содержит этап формирования множества штрихов на поверхности алмаза или драгоценного камня, которые формируют знак или знаки, причем метка является такой, что ее нельзя визуально различить невооруженным глазом, причем штрихи производят видимый дифракционный эффект при определенной подсветке (или освещении) и условиях увеличения.

Кроме того, согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство для выполнения вышеупомянутого способа. Настоящее изобретение дополнительно предусматривает алмаз или драгоценный камень, который маркируют вышеупомянутым способом.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения выполнен способ формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, содержащий этап формирования множества штрихов на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем штрихи формируют видимый дифракционный эффект при определенной подсветке (или освещении) и условиях увеличения без оказания вредного воздействия на степень чистоты алмаза или драгоценного камня.

Кроме того, согласно второму аспекту настоящего изобретения выполнено устройство для формирования вышеупомянутого способа. Настоящее изобретение дополнительно распространяется на алмаз или драгоценный камень, который маркируют вышеупомянутым способом.

Метку нельзя визуально различить невооруженным глазом. Однако штрихи обеспечивают видимый дифракционный эффект при определенных условиях подсветки. Чем больше глубина штрихов, тем лучше будет видна метка при просмотре. Штрихи должны иметь соответствующую глубину так, чтобы метка была хорошо видна при соответствующих условиях просмотра, но не такой глубокой, чтобы не оказывалось вредное влияние на степень чистоты алмаза или другого драгоценного камня. В одном предпочтительном варианте осуществления каждый штрих имеет глубину не менее приблизительно 10 нм и/или не более приблизительно 50 нм без признаков потемнения. В специфическом примере глубина будет составлять приблизительно 30 нм.

Штрихи могут быть выполнены в виде параллельных линий или даже множества пересекающихся штрихов, образующих картину перекрестной штриховки, в зависимости от требуемого эффекта.

Хотя маркировку можно осуществить с использованием любого подходящего средства, например путем травления излучением эксимерного лазера или плазменного травления, предпочтительно маркировку осуществляют с использованием пучка ионов, а наиболее предпочтительно непосредственным формированием рисунка на поверхности алмаза сфокусированным пучком ионов. Ограничением дозы можно избежать распыления атомов углерода, причем распыление вызывает непосредственное удаление материала, что позволяет наносить метку с управляемой глубиной и хорошим разрешением. Обычно используются ионы галлия, но в качестве альтернативы можно использовать пучок других подходящих ионов.

Обнаружено, что каждый падающий ион вытесняет ряд атомов углерода со своих мест, образуя внедренные атомы и вакансии в кристалле алмаза. Так как величина разрушения (беспорядок кристаллической решетки) увеличивается, то существует тенденция замены связей sp³ алмаза на связи sp², подобные графиту. Эти связи можно разрушить с помощью химического травления для того, чтобы удалить разупорядоченный слой. При ограничении дозы и обеспечении достаточной дозы падающие ионы вызывают разупорядочение, которое превращает алмаз в графитоподобную или другую не алмазную структуру, которую можно очистить с использованием, например, сильного окислителя, такого как расплавленный азотнокислый калий с температурой приблизительно 380-550^oС в течение периода в пределах нескольких минут и нескольких часов.

Обнаружено, что использование азотнокислого калия более эффективно при удалении разупорядоченного слоя алмаза по сравнению с другими известными процессами, что позволяет получать метку с данной глубиной и относительно низкой дозой ионов.

Другими подходящими окислителями могут быть расплавленные соединения, такие как соли щелочных металлов, соединения в виде XnYm, где группой Х может быть Li⁺, Na⁺, К⁺, Rb⁺, Cs⁺ или другой катион, и группой Y может быть ОН^-, NO₃ ^-, О₂ ^2-, O₂ ^2-, СО₃ ^2- или другой анион, при этом целые числа n и m используются для поддержания баланса зарядов. Можно использовать смеси этих соединений. Могут быть также представлены для рассмотрения воздух или другие кислородсодержащие газы.

В качестве альтернативы разупорядоченный слой алмаза можно удалить с использованием кислоты или азотнокислого калия, растворенного в кислоте. Однако при использовании, например, расплавленного азотнокислого калия устраняются кислотные испарения. Кроме того, устраняется потребность в удалении отработавшей кислоты, таким образом удовлетворяя требованиям безопасности окружающей среды и экономическую прибыль.

Кроме того, необходимо минимизировать глубину разупорядочения, вызванного пучком ионов, на поверхности алмаза. Глубина разупорядочения определяется глубиной проникновения ионов. Для галлия с энергией 50 кэВ эта глубина проникновения составляет приблизительно 30 нм. Минимальная доза может составлять приблизительно 10¹³/см² и предпочтительно 10¹⁴/см²-10¹⁵/см², но качественные метки наносят при весьма умеренной дозе, при этом предпочтительная максимальная доза составляет приблизительно 10¹⁶/cм² или даже вплоть до приблизительно 10¹⁷/cм². Однако эта доза зависит от используемых ионов и их энергии (которая измеряется в кэВ). Доза пучка ионов равна полному числу падающих ионов на единицу площади на поверхности образца во время маркировки. Ток пучка может составлять приблизительно 0,5 нА, и энергия пучка не менее приблизительно 10 кэВ или приблизительно 30 кэВ и/или не более приблизительно 100 кэВ или приблизительно 50 кэВ.

Обнаружено, что если глубина метки зависит от дозы пучка ионов при различных энергиях пучка, глубина метки увеличивается с повышением энергии пучка. Характеристики метки можно оптимизировать путем выбора комбинаций доза/энергия, которые приведут в результате к требуемой глубине метки.

Область, которую будут маркировать, и/или окружающую зону можно покрыть электропроводным слоем, например золотом, перед формированием метки для того, чтобы можно было осуществить электрическое соединение до маркировки пучком ионов для предотвращения накопления заряда. Слой золота или другое покрытие приводит к изменению глубины метки в зависимости от энергии пучка, и, таким образом, можно выбирать толщину слоя для оптимизации получаемой метки. Однако для предотвращения накопления заряда в процессе маркировки предпочтительно облучать маркируемую область источником электронов низкой энергии (например, порядка 1-100 эВ), например, электронным прожектором.

Если для формирования множества штрихов используется сфокусированный пучок ионов, то точность способа является такой, что не требуется маскирование, при этом пучок ионов падает непосредственно на поверхность алмаза в положения, где необходимо сформировать штрихи. Однако при использовании менее точных способов формирования штрихов может потребоваться маскирование зон между зонами штрихов во избежание их маркировки.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство для просмотра метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем метка содержит множество штрихов, которые производят видимый дифракционный эффект при освещении и увеличении, причем устройство содержит два средства для освещения метки лучами света под углом, который соответствует дифракционному углу света с предварительно определенной длиной волны или диапазоном длин волн, при этом средство освещения является таким, что лучи света падают по существу под тем же самым углом к нормали поверхности, но, как просматривается нормаль к указанной поверхности, находятся по существу в противоположных направлениях, и средство просмотра и увеличения для просмотра метки и для увеличения рассматриваемого изображения метки. Изобретение также распространяется на способ просмотра метки, соответствующей устройству, которое определено выше.

Метка предпочтительно рассматривается на темном фоне, который предпочтительно существенно предотвращает отражение и появление непосредственно позади или рядом с меткой осветительного света, прошедшего через камень. Специалистам будет ясно, что для достижения этого угол и направление, в котором падает осветительный свет (и, следовательно, ориентация и шаг линий), необходимо выбирать так, чтобы гарантировать, что свет не может следовать по нежелательной траектории.

Типичный диапазон увеличения, необходимый для просмотра метки, составляет x10-x50.

Расстояние между множеством штрихов и угол направленного света определяет цвет метки, наблюдаемый при просмотре метки. В общем для дифракционной решетки
d•sinθ = ±n•λ,
где d - расстояние между каждым штрихом, θ - угол падающего света, λ - длина волны дифрагированного света и n - целое число. Предпочтительно n=1.

Таким образом, когда метка сформирована на алмазе, d и n являются фиксированными и длину волны дифрагированного света, то есть цвет, с которым будет появляться метка при просмотре, можно изменять при изменении угла падающего света. Таким образом, если необходимо, чтобы при просмотре метка имела синий цвет, то угол падающего света, то есть θ, устанавливается так, чтобы λ равнялась приблизительно 450 нм с учетом вышеприведенного уравнения. Аналогично, если метка должна иметь красный цвет, то θ устанавливают так, чтобы λ составляла приблизительно 620 нм.

В одном варианте осуществления устройства, согласно третьему аспекту настоящего изобретения, средство освещения может содержать источник света и непрозрачный экран, расположенный по траектории падающего света, причем экран имеет две диафрагмы, сформированные на нем, при этом диафрагмы сформированы на каждой стороне, обычно в центральном положении так, чтобы получить два направленных под углом источника света. Расстояние между диафрагмами определяет угол источников падающего света. Однако обнаружено, что источник(и) направленного света можно выполнить с помощью любого удобного средства, например с помощью двух отдельных источников света. Традиционный микроскоп может включать в себя средство освещения, содержащее круглый кольцеобразный источник, содержащий оптические волокна, освещаемые удаленной вольфрамовой лампой накаливания. Средство освещения настоящего изобретения можно получить путем маскирования всех, кроме двух диаметрально расположенных противоположных секций осветителя.

Предпочтительный вариант осуществления
Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых
фиг. 1 изображает схему в увеличенном виде типа метки, которая формируется с использованием способа и устройства согласно первому и второму аспектам настоящего изобретения;
фиг. 2 изображает дополнительный увеличенный вид в поперечном сечении вдоль линии А-А (фиг.1);
фиг. 3 изображает в схематическом виде вариант осуществления устройства согласно третьему аспекту настоящего изобретения.

Как показано на фиг.1, метка в виде буквенно-цифрового знака может быть сформирована посредством множества расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга параллельных удлиненных штрихов 10, расположенных друг от друга на расстоянии d. Каждый штрих 10 может иметь в общем квадратное или прямоугольное поперечные сечения (фиг.2). С другой стороны, предпочтительным может оказаться синусоидальный профиль, который позволяет уменьшить нежелательную дифракцию более высокого порядка.

Пример
Ниже описывается специфический способ формирования каждого штриха.

Граненый драгоценный камень устанавливают в подходящем держателе и размещают в вакуумной камере, оборудованной источником сфокусированного пучка ионов, например таким, который поставляется фирмой FEI или Micrion. Во время облучения область, которую необходимо маркировать, можно облучать с использованием электронного прожектора, поставляемого фирмой Micrion, который служит источником электронов низкой энергии, например 1-100 эВ, для предотвращения процесса накопления алмазом заряда.

Используя сфокусированный пучок ионов с растровой разверткой или аналогичной для сканирования пучка, например с электростатическим отклонением (в качестве альтернативы, алмаз можно перемещать, но этот вариант является менее практичным), и вспомогательное любое подходящее программное обеспечение для управления пучком ионов, на грани алмаза "записывается" ряд параллельно расположенных линий.

Образец удаляют из вакуумной камеры, которая размещается в тигле из нержавеющей стали, и покрывают сильным окислителем, таким как расплавленный азотнокислый калий, в течение промежутка времени, приблизительно равного 1-2 часам. Затем образец охлаждают и удаляют из азотнокислого калия перед очисткой с использованием воды и этанола, таким образом удаляя части поверхности алмаза, разупорядоченные пучком ионов, и оставляют ряд близко расположенных штрихов, каждый из которых имеет глубину приблизительно 30-35 нм, без признаков потемнения.

После проверки перед очисткой облученную область идентифицируют по своему графитоподобному внешнему виду, полученному, например, при проверке в микроскопе в отраженном свете. Такая метка не будет приемлема для машины, которая сортирует алмазы, тем, что она будет по существу уменьшать степень чистоты алмаза. Однако после очистки с использованием сильного окислителя метку нелегко рассмотреть в микроскопе без контраста между меткой и окружающими зонами. Метка становится видимой только при освещении предпочтительно двумя направленными световыми источниками под углом, который соответствует углу дифрагированного света с конкретной длиной волны, например синего света, при которой метка появляется синей. Такая метка приемлема для машины, которая сортирует алмазы, тем, что она не оказывает вредного воздействия на степень чистоты алмаза.

Близко расположенные штрихи предпочтительно формируются внутри "невидимого контура" буквенно-цифрового знака или подобного (фиг.1).

Ниже, со ссылкой на фиг.3, описывается (только в качестве примера) способ и устройство для просмотра метки, полученной в процессе, описанном выше.

Маркированный алмаз 104 размещается на просмотровой поверхности 100 традиционного микроскопа 102. Алмаз 104 освещается двумя направленными источниками 106 света, которые имеют угол θ относительно вертикальной оси Y. Как описано выше, θ выбирают так, чтобы при необходимости появлялась метка, например синяя или красная. Таким образом, если метка должна появляться синей и d приблизительно равно 1200 нм, то θ выбирают исходя из условия
d•sinθ = (приблизительно) 450 нм,
где n=1 и 450 нм является соответствующей длиной волны синего света, который является длиной волны дифракционного света по оси Х (фиг.3). В этом случае θ=22^o.

Источники направленного света могут быть выполнены обычно с помощью кольцеобразного осветителя, причем все, кроме двух диаметрально противоположных частей, не маскируются. Однако для получения того же самого эффекта можно использовать любой подходящий источник света.

На всем протяжении описания и формулы изобретения слова "содержит", "содержащий" и подобные, если не оговорено особо, необходимо рассматривать в смысле содержащий, а не исключающий или исчерпывающий, то есть в смысле "включающим в себя, но не ограниченным этим".

Настоящее изобретение описано выше только посредством примера, и изменения могут быть внесены в пределах сущности изобретения, которая распространяется на эквиваленты описанных особенностей.

Маркировка алмазов или драгоценных камней с помощью множества штрихов для повышения качества содержит этап формирования множества штрихов на поверхности алмаза или драгоценного камня, при этом штрихи формируют знак или знаки, причем метка является такой, что ее нельзя визуально различить невооруженным глазом, при этом штрихи производят видимый дифракционный эффект при определенных условиях подсветки и увеличения. 7 с. и 24 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, содержащей один или несколько единичных знаков, отличающийся тем, что способ содержит этап формирования множества штрихов (10) на поверхности алмаза или драгоценного камня, при этом штрихи (10) формируют знак или знаки, причем метка является такой, что ее нельзя визуально различить невооруженным глазом, при этом штрихи (10) производят видимый дифракционный эффект при определенных условиях подсветки и увеличения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что метки не оказывают вредного воздействия на степень чистоты алмаза. 3. Способ формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, отличающийся тем, что содержит этап формирования множества штрихов (10) на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем штрихи (10) производят видимый дифракционный эффект при определенных условиях подсветки и увеличения без вредного воздействия на степень чистоты алмаза или драгоценного камня. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что метка выполнена в форме одного или более буквенно-цифровых знаков или тому подобных символов. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что штрихи (10) сформированы посредством сфокусированного пучка ионов. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что зоны поверхности алмаза или драгоценного камня, в которых происходит разупорядочение их кристаллической решетки за счет действия сфокусированного пучка ионов, удаляют посредством сильного окислителя. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что сильным окислителем является расплавленный азотнокислый калий. 8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что сильным окислителем является соединение в виде X_nY_m, где группа Х представляет собой Li⁺, Na⁺, К⁺, Rb⁺, Cs⁺ или другой катион или их смеси, и группа Y представляет собой ОН^-, NО₃ ^-, O₂ ^2-, О^2-, СО₃ ^2- или другой анион или их смеси, при этом целые числа n и m используются для поддержания баланса зарядов. 9. Способ по любому из пп. 5-8, отличающийся тем, что сфокусированный пучок ионов имеет энергию пучка 50 кэВ или менее. 10. Способ по любому из пп. 5-9, отличающийся тем, что сфокусированный пучок ионов имеет ток пучка приблизительно 0,5 нА. 11. Способ по любому из пп. 5-10, отличающийся тем, что дозировка ионов, полученных с помощью сфокусированного пучка ионов, составляет приблизительно 10¹³/см²-10¹⁷/cм². 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дозировка равна приблизительно 10¹⁴/см²-10¹⁶/см². 13. Способ по любому из пп. 5-12, отличающийся тем, что область поверхности алмаза или драгоценного камня, который будут маркировать, облучают с помощью источника электронов низкой энергии для устранения накопления заряда. 14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что источником электронов низкой энергии является электронный прожектор. 15. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторые из упомянутых штрихов (10) являются параллельными, протяженными и по существу размещенными отдельно друг от друга на равном расстоянии. 16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что множество пересекающихся наборов штрихов (10) сформированы для получения эффекта перекрестной штриховки. 17. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что алмазом является драгоценный алмаз. 18. Устройство для формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем метка содержит один или несколько единичных знаков, отличающееся тем, что устройство включает в себя программное обеспечение для формирования множества штрихов (10) на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем метка является такой, что ее нельзя визуально различить невооруженным глазом, при этом штрихи (10) формируют знак или знаки и производят видимый дифракционный эффект при определенных условиях подсветки и увеличения. 19. Устройство для формирования метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем метка содержит один или несколько единичных знаков, отличающееся тем, что устройство содержит средство, включающее в себя программное обеспечение для формирования множества штрихов (10) на поверхности алмаза, причем штрихи формируют знак или знаки и производят видимый дифракционный эффект при определенных условиях подсветки и увеличения без оказания вредного воздействия на степень чистоты алмаза или драгоценного камня. 20. Устройство по п. 18 или 19, отличающееся тем, что средство для формирования множества штрихов (10) содержит средство для облучения частей алмаза или драгоценного камня для получения разупорядочения их кристаллической решетки и получения разупорядоченного слоя, а также средство для удаления разупорядоченного слоя. 21. Устройство по любому из пп. 18-20, отличающееся тем, что средство для облучения частей алмаза содержит сфокусированный пучок ионов. 22. Устройство по п. 21, отличающееся тем, что сфокусированный пучок ионов имеет энергию пучка 50 кэВ или менее. 23. Устройство по п. 21 или 22, отличающееся тем, что сфокусированный пучок ионов имеет ток пучка приблизительно 0,5 нА. 24. Устройство по любому из пп. 21-23, отличающееся тем, что дозировка ионов, которая обеспечивается сфокусированным пучком ионов, равна приблизительно 10¹³/см²-10¹⁷/см². 25. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что дозировка ионов равна приблизительно 10¹⁴/см²-10¹⁶/см². 26. Устройство по любому из пп. 18-25, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство для облучения области поверхности алмаза, который необходимо маркировать с помощью источника электронов низкой энергии для устранения накопления заряда. 27. Алмаз или драгоценный камень, имеющий метку, сформированную на нем посредством способа по любому из пп. 1-17. 28. Устройство для просмотра метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем метка содержит множество штрихов (10), которые производят видимый дифракционный эффект при освещении и увеличении, отличающееся тем, что содержит два средства (106) для освещения метки лучами света, каждый из которых падает под углом, который соответствует дифракционному углу света с предварительно определенной длиной волны и диапазоном длин волн, причем средство (106) освещения является таким, что лучи света падают по существу под тем же углом (θ) к нормали (Y) к упомянутой поверхности, но, как просматривается нормаль к поверхности, находятся по существу в противоположных направлениях, и средство просмотра и увеличения для просмотра метки и для увеличения рассматриваемого изображения метки. 29. Устройство по п. 28, отличающееся тем, что угол и направление, под которым падают освещающие лучи света, является такими, что метку можно рассматривать на относительно темном фоне. 30. Способ просмотра метки на поверхности алмаза или драгоценного камня, причем метка содержит множество штрихов, которые производят видимый дифракционный эффект при освещении и увеличении, отличающийся тем, что способ содержит этапы: освещают метку лучами (106) света, каждый из которых падает под углом (θ), который соответствует дифракционному углу света с предварительно определенной длиной волны или диапазоном длин волн, и лучи света падают под тем же самым углом (θ) к нормали поверхности, но, как просматривается нормаль к поверхности, находятся по существу в противоположных направлениях и рассматривают метку и увеличивают рассматриваемое изображение метки. 31. Способ по п. 30, отличающийся тем, что содержит этап выбора угла (θ) и направления, в котором падает осветительный свет, для рассмотрения метки на относительно темном фоне.