Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen eine Markierung auf einer Oberfläche eines Diamanten oder Edelsteins, wobei die Markierung ein oder mehrere unitäre Kennzeichen umfaßt. Die Markierung kann eine beliebige Markierung sein, aber die Erfindung ist sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf das Aufbringen einer Informationsmarkierung auf den Diamanten gerichtet, und die Kennzeichen können alphanumerische Zeichen oder dergleichen sein. Der Diamant kann zum Beispiel ein Industriediamant, wie beispielsweise eine Drahtziehdüse, sein, obwohl die Erfindung beim Markieren von Schmuckdiamanten von besonderem Interesse ist, und insbesondere zum Aufbringen einer Markierung, die für das bloße Auge nicht sichtbar oder für das Auge unter Benutzung einer zehnfachen Lupe (welche die von Juwelieren verwendete Lupe ist) nicht sichtbar ist, wenn die Markierung auf eine polierte Facette des Edelsteins aufgebracht werden kann, ohne dessen Reinheitsgrad zu beeinträchtigen.

Die Markierungen können zum eindeutigen Identifizieren des Edelsteins durch eine Seriennummer oder als ein Marken- oder Gütezeichen verwendet werden, aber sie sollten den Wert oder die Erscheinung des Steins nicht beeinträchtigen und sollten vorzugsweise keine Schwärzung zeigen.

Es gibt eine detaillierte Beschreibung der Beschaffenheit der Markierungen, die aufgebracht werden können, in WO-97/03846, worin die Markierungen durch Bestrahlen eines Diamanten-Schmucksteins mit ultravioletter Laserstrahlung unter Verwendung einer Projektionsmaske aufgebracht werden.

Es ist allgemein wünschenswert, Markierungen mit einer verbesserten Auflösung und Sichtbarkeit, wenn entsprechende Vergrößerungs- und Beleuchtungsbedingungen angewendet werden, zu erzeugen, wobei die Markierungen derart sind, daß sie den Wert und die Erscheinung des Diamanten oder anderen Edelsteins nicht beeinträchtigen. Es ist ein Ziel der Erfindung, wenigstens einen der Nachteile des bekannten technischen Stands zu überwinden oder zu verbessern oder eine verwendbare Alternative zu erzeugen.

EP 0 648 445 legt ein Verfahren zum Formen einer Markierung auf einer Oberfläche eines Diamanten oder Edelsteins offen, das den Schritt umfaßt, eine Vielzahl von Rillen auf der Oberfläche des Diamanten oder Edelsteins zu formen, welche Rillen die Markierung definieren, wobei die Rillen unter bestimmten Beleuchtungs- und Vergrößerungsbedingungen eine sichtbare Beugungswirkung erzeugen. Die Rillen bedecken die Gesamtheit einer Facette, und die Absicht ist, die Schönheit des Materials durch das Erzeugen einer Wirkung zu steigern, die für das bloße Auge deutlich sichtbar ist. Es gibt keinen Hinweis, daß die Rillen irgendeinem anderen Zweck dienen.

US 4 425 769 legt das Schaffen einer Identifikationsmarkierung auf einem Diamanten oder anderen Edelstein offen, aber es gibt keinen Hinweis darauf, Rillen zu formen, um eine Beugungswirkung zu schaffen. US 4 467 172 und WO 97/03846 legen das Aufbringen einer Identifikationsmarkierung auf einen Diamanten offen, aber es gibt keinen Hinweis darauf, Rillen zu formen, um eine Beugungswirkung zu schaffen. US 4 639 301 legt eine Maschine mit einem fokussierten Ionenstrahl offen, um optische und Ionenmasken und Röntgenlithographie-Masken und -Retikel zu reparieren. Es gibt keinen Hinweis darauf, Markierungen auf einen Diamanten oder Edelstein aufzubringen, und keinen Hinweis darauf, Rillen zu formen, um eine Beugungswirkung zu schaffen.

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren bereit, wie sie in Anspruch 1, 2 oder 19 dargelegt werden.

Normalerweise kann die Markierung nicht mit dem bloßen Auge gelesen oder erkannt werden. Unter bestimmten Beleuchtungsbedingungen gewährleisten die Rillen jedoch eine sichtbare Beugungswirkung. Je größer die Tiefe der Rillen ist, desto sichtbarer wird die Markierung beim Betrachten sein. Die Rillen sollten eine geeignete Tiefe haben, so daß die Markierung unter entsprechenden Betrachtungsbedingungen stark sichtbar ist, aber nicht so tief, daß sie sich nachteilig auf den Reinheitsgrad des Diamanten oder anderen Edelsteins auswirken. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede Rille nicht weniger als etwa 10 nm tief und/oder nicht mehr als etwa 50 nm tief, ohne Anzeichen einer Schwärzung. Ein spezifisches Beispiel würde ungefähr 30 nm betragen.

Die Rillen können, in Abhängigkeit von der gewünschten Wirkung, die Form von parallelen Linien, die länglich sein und wesentlich mit gleichem Zwischenraum zueinander angeordnet werden können, haben oder sogar eine Vielzahl von einander schneidenden Rillen, die ein Kreuzschraffurmuster bilden, sein.

Obwohl das Markieren unter Verwendung jedes geeigneten Mittels, z. B. Ätzen mit einem Excimerlaser oder Plasmaätzen, ausgeführt werden kann, wird das Markieren vorzugsweise unter Verwendung eines Ionenstrahls und am bevorzugtesten durch unmittelbares Schreiben mit einem fokussierten Ionenstrahl auf der Diamantoberfläche ausgeführt. Durch ein Begrenzen der Dosis kann ein Zerstäuben von Kohlenstoffatomen vermieden werden, wobei das Zerstäuben ein unmittelbares Materialentfernen verursacht, dies ermöglicht, daß eine Markierung mit einer gesteuerten Tiefe und einer guten Auflösung aufgebracht wird. Typischerweise werden Galliumionen verwendet, aber als Alternative dazu kann ein Strahl von anderen Ionen verwendet werden.

Es wird angenommen, daß jedes auftreffende Ion eine Zahl von Kohlenstoffatomen von ihren Orten verdrängt, um im Diamantkristall Lücken und Leerstellen zu schaffen. Wenn das Maß der Beschädigung (Kristallgitterstörung) zunimmt, gibt es eine Neigung, daß die sp³-Diamantbindungen durch die graphitartigen sp²-Bindungen ersetzt werden. Diese Bindungen können durch ein chemisches Ätzen angegriffen werden, um die ungeordnete Schicht zu entfernen. Durch ein Begrenzen der Dosis und Gewährleisten einer ausreichenden Dosis bewirken die auftreffenden Ionen eine Störung, welche die Diamant- in eine graphitartige oder eine andere Nichtdiamantstruktur umwandelt, die, zum Beispiel unter Verwendung eines starken Oxidationsmittels, wie beispielweise geschmolzenen Kaliumnitrats, bei einer Temperatur von annähernd 380 bis 550°C für einen Zeitraum von zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden gereinigt wird.

Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Kaliumnitrat wirksamer beim Entfernen von ungeordnetem Diamanten ist als andere bekannte Verfahren und folglich ermöglicht, daß eine Markierung einer gegebenen Tiefe mit einer verhältnismäßig niedrigen Ionendosis erzeugt wird.

Andere geeignete Oxidationsmittel können geschmolzene Verbindungen, wie beispielsweise Alkalimetallsalze, sein, Verbindungen in der Form XnYm, wobei die Gruppe X Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺ oder ein anderes Kation sein kann und die Gruppe Y OH^–, NO₃^–, O₂^2–, O^2–, CO₃^2– oder ein anderes Anion sein kann, wobei die ganzen Zahlen n und m verwendet werden, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Es können Mischungen solcher Verbindungen verwendet werden. Luft oder andere sauerstoffhaltige Gase können ebenfalls anwesend sein.

Als eine Alternative dazu kann die ungeordnete Schicht des Diamanten unter Verwendung einer Säure oder von in einer Säure aufgelöstem Kaliumnitrat entfernt werden. Jedoch beseitigt die Verwendung beispielsweise von geschmolzenem Kaliumnitrat Säuredämpfe. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit beseitigt, verbrauchte Säure zu entsorgen, wodurch Vorteile für Sicherheit, Umwelt und Wirtschaftlichkeit geboten werden.

Es ist erforderlich, die Tiefe der der Oberfläche des Diamanten durch den Ionenstrahl zugefügten Störung auf ein Minimum zu verringern. Die Tiefe der Störung wird durch die Reichweite der Ionen bestimmt. Bei Gallium mit 50 keV beträgt diese Reichweite ungefähr 30 nm. Die minimale Dosis kann ungefähr 10¹³/cm² betragen und beträgt vorzugsweise etwa 10¹⁴/cm² bis 10¹⁵/cm², aber es können gute Markierungen mit einer ziemlich mäßigen Dosis aufgebracht werden, wobei die bevorzugte maximale Dosis etwa 10¹⁶/cm² oder sogar bis zu 10¹⁷/cm² beträgt. Jedoch hängt die Dosis von den verwendeten Ionen und deren Energie (gemessen in keV) ab. Die Ionenstrahldosis ist eine Gesamtzahl der während des Markierens auf der Probenfläche auftreffenden Ionen pro Flächeneinheit. Der Strahlstrom kann etwa 0,5 nA und die Strahlenergie nicht weniger als etwa 10 keV oder etwa 30 keV und/oder nicht mehr als etwa 100 keV oder etwa 50 keV betragen.

Es hat sich gezeigt, daß es eine Zunahme der Markierungstiefe mit zunehmender Strahlenergie gibt, falls die Markierungstiefe für eine Reihe von unterschiedlichen Strahlenergien in Abhängigkeit von der Ionenstrahldosis aufgezeichnet wird. Die Charakteristika der Markierung können durch Auswählen aus den Dosis-Energie-Kombinationen optimiert werden, die zu der gewünschten Markierungstiefe führen werden.

Der zu markierende Bereich und/oder der umgebende Bereich können vor dem Formen der Markierung mit einer elektrisch leitenden Schicht, zum Beispiel Gold, beschichtet werden, so daß vor dem Markieren mit einem Ionenstrahl eine galvanische Verbindung bereitgestellt werden kann, um ein Aufladen zu verhindern. Die Dicke des Goldes oder der anderen Beschichtung verändert die Tiefenvariation der Markierung mit der Strahlenergie und muß folglich so gewählt werden, daß die erzeugte Markierung optimiert wird. Es ist jedoch vorzuziehen, den zu markierenden Bereich während des Markierungsverfahrens mit einer niederenergetischen Elektronenquelle (z. B. ungefähr 1 bis 100 eV), zum Beispiel einer Elektronenflutkanone, zu bestrahlen, um ein Aufladen zu verhindern.

Falls ein fokussierter Ionenstrahl verwendet wird, um die Vielzahl von Rillen zu formen, ist die Genauigkeit des Verfahrens derart, daß kein Maskieren erforderlich ist: Der Ionenstrahl wird an den Positionen, an denen es erforderlich ist, die Rillen zu formen, unmittelbar auf die Oberfläche des Diamanten angewendet. Falls jedoch andere, weniger genaue Verfahren zum Formen der Rillen verwendet werden sollen, dann kann es notwendig sein, die Bereiche zwischen den mit Rillen versehenen Bereichen zu maskieren, um ein Markieren derselben zu vermeiden.

Wenn die Markierung auf der Oberfläche des Diamanten oder Edelsteins hergestellt worden ist, kann sie, wie es in Anspruch 19 dargelegt wird, betrachtet werden. Die Markierung wird vorzugsweise gegen einen dunklen Hintergrund betrachtet, d. h., es ist vorzuziehen, daß das Beleuchtungslicht wesentlich daran gehindert wird, durch den Stein reflektiert zu werden und unmittelbar hinter oder nahe der Markierung zu erscheinen. Es wird einer Person mit Kenntnissen auf dem Gebiet offensichtlich sein, daß, um dies zu erreichen, der Winkel und die Richtung, aus denen das Beleuchtungslicht zugeführt wird (und folglich die Ausrichtung und der Zwischenraum der Linien) so gewählt werden müssen, daß gesichert wird, daß kein Licht der unerwünschten Bahn folgen kann.

Der typische zum Betrachten der Markierung erforderliche Vergrößerungsbereich beträgt 10fach bis 50fach.

Der Abstand zwischen der Vielzahl von Rillen und der Winkel des gerichteten Lichts bestimmen die Farbe, in der die Markierung beim Betrachten erscheinen wird. Im allgemeinen gilt für ein Beugungsgitter: d sin&thgr; = ±n &lgr;, wobei d der Abstand zwischen den Rillen ist, &thgr; der Winkel des auftreffenden Lichts ist, &lgr; die Wellenlänge des gebeugten Lichts ist und n eine ganze Zahl ist. Vorzugsweise gilt n = 1.

Folglich sind, wenn auf einem Diamanten eine Markierung geformt worden ist, d und n feststehend, und die Wellenlänge des gebeugten Lichts, d. h., die Farbe, in der die Markierung beim Betrachten erscheinen wird, kann durch Verändern des Winkels des auftreffenden Lichts verändert werden. Falls also gewünscht wird, daß die Markierung beim Betrachten blau erscheint, dann wird folglich unter Verwendung der obigen Gleichung der Winkel des auftreffenden Lichts, d. h. &thgr;, so eingestellt, daß &lgr; ungefähr 450 nm beträgt. Ähnlich wird dann, falls die Markierung rot erscheinen soll, &thgr; so eingestellt, daß &lgr; ungefähr 620 nm beträgt.

Es werden nun Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, nur als Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 ein vergrößertes schematisches Diagramm der Art von Markierung ist, die unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung des ersten und des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung geformt wird,

2 eine weiter vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie A–A von 1 ist und

3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung nach dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.

Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen kann mit Hilfe einer Vielzahl von mit gleichem Zwischenraum angeordneten, parallelen länglichen Rillen 10, die jeweils durch einen Abstand d getrennt. werden, eine Markierung in der Form eines alphanumerischen Zeichens geformt werden. Jede Rille 10 kann einen allgemein quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben, wie es in 2 gezeigt wird. Als Alternative dazu kann ein sinusförmiges Profil bevorzugt werden, um eine ungewollte Beugung höherer Ordnung zu verringern.

Es wird nun ein spezifisches Verfahren zum Formen jeder Rille beschrieben.

Ein Diamant-Schmuckstein wird in einem geeigneten Halter angebracht und in eine Vakuumkammer gelegt, die mit einer Quelle eines fokussierten Ionenstrahls ausgerüstet ist, wie sie beispielsweise von FEI oder Micrion geliefert wird. Während der Bestrahlung kann der zu markierende Bereich unter Verwendung einer von Micrion gelieferten Elektronenflutkanone bestrahlt werden, die eine niederenergetische Elektronenquelle, z. B. 1 bis 100 eV, bereitstellt, um zu verhindern, daß der Diamant aufgeladen wird.

Unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahls mit einer Rasterabtastung oder ähnlichem, um den Strahl, zum Beispiel mit elektrostatischer Ablenkung, abzutasten (als eine Alternative dazu kann der Diamant bewegt werden, aber dies ist weniger zweckmäßig), und wahlweise einer geeigneten Software zum Steuern des Ionenstrahls wird eine Reihe von parallelen Linien mit einem engen Zwischenraum auf die Diamantfacette „geschrieben".

Die Probe wird aus der Vakuumkammer entnommen, in einen Tiegel aus rostfreiem Stahl gelegt und für einen Zeitraum von ungefähr einer oder zwei Stunden mit einem starken Oxidationsmittel, wie beispielsweise geschmolzenem Kaliumnitrat, bedeckt. Anschließend wird die Probe abgekühlt und aus dem Kaliumnitrat entnommen, bevor sie unter Verwendung von Wasser und Ethanol gereinigt wird, wodurch die Abschnitte der Diamantoberfläche entfernt werden, die durch den Ionenstrahl gestört worden sind, und ohne ein Zeichen einer Schwärzung eine Reihe von parallelen Linien mit einem engen Zwischenraum hinterlassen, jeweils ungefähr 30 bis 35 nm tief.

Bei einer Untersuchung vor dem Reinigen kann der freigelegte Bereich durch seine graphitartige Erscheinung identifiziert werden, wenn er zum Beispiel in einem Auflichtmikroskop untersucht wird. Eine solche Markierung wäre für einen Diamantensortierer insofern nicht annehmbar, als sie den Reinheitsgrad des Diamanten beträchtlich verringern würde. Nach dem Reinigen unter Verwendung des starken Oxidationsmittels ist die Markierung jedoch in einem Mikroskop nicht leicht sichtbar, ohne Kontrast zwischen der Markierung und den umgebenden Bereichen. Die Markierung wird nur sichtbar, wenn sie durch vorzugsweise zwei gerichtete Lichtquellen in einem Winkel beleuchtet wird, der dem Winkel des gebeugten Lichts einer bestimmten Wellenlänge, zum Beispiel blauen Lichts, entspricht, woraufhin die Markierung blau erscheint. Eine solche Markierung ist für einen Diamantensortierer insofern annehmbar, als sie sich nicht nachteilig auf den Reinheitsgrad des Diamanten auswirkt.

Die mit engem Zwischenraum angeordneten Rillen werden vorzugsweise innerhalb eines „unsichtbaren Umrisses" eines alphanumerischen Zeichens oder dergleichen, wie es in 1 der Zeichnungen gezeigt wird, geformt.

Unter Bezugnahme auf 3 der Zeichnungen werden nun, nur als Beispiel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrachten der durch das oben beschriebene Verfahren erzeugten Markierung beschrieben.

Der markierte Diamant 104 wird auf die Betrachtungsfläche 100 eines herkömmlichen Mikroskops 102 gelegt. Der Diamant 104 wird durch zwei gerichtete Lichtquellen 106 beleuchtet, die im Verhältnis zur vertikalen Achse Y einen Winkel &thgr; haben. Wie es oben beschrieben wird, wird &thgr; so gewählt, daß die Markierung nach Wunsch zum Beispiel blau oder rot zu sein scheint. Falls die Markierung folglich blau erscheinen soll, und d annähernd 1200 nm beträgt, dann wird &thgr; so gewählt, daß: d sin&thgr; = (annähernd) 450 nm erfüllt wird, wenn n = 1 und 450 nm die annähernde Wellenlänge von blauem Licht ist, was in 3 die Wellenlänge des gebeugten Lichts bei X ist. In diesem Fall gilt &thgr; = 22°.

Die gerichteten Lichtquellen können durch einen allgemein ringförmigen Illuminator bereitgestellt werden, wobei alles bis auf zwei diametral gegenüberliegende Abschnitte desselben abgedeckt wird. Ein herkömmliches Mikroskop kann Beleuchtungsmittel einschließen, die eine runde ringförmige Quelle umfassen, die Lichtleitfasern umfaßt, die durch eine entfernte Wolfram-Glühlampe erleuchtet werden. Jedoch kann jede geeignete Lichtquelle verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzeugen. Folglich können die gerichteten Quellen eine Lichtquelle und eine in der Bahn des auftreffenden Lichts angeordnete opake Abschirmung umfassen, wobei die Abschirmung zwei in derselben geformte Öffnungen hat, wobei die Öffnungen derart auf den beiden Seiten einer allgemein mittigen Position geformt werden, daß zwei winklige gerichtete Lichtquellen erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung ist vorstehend nur als Beispiel beschrieben worden, und innerhalb des Sinnes der Erfindung können Modifikationen vorgenommen werden.