在宝石或工业钻石上形成标记

本发明涉及在宝石或工业钻石上形成标记，优选为形成微小标记。 本文中所使用的“微小标记”是在宝石或工业钻石上的任何非常小的 标记，例如钻石珠宝零售商、制造商、或行业组织的名称或标志。可 将该标记施加到工业钻石上，其中一些工业钻石(类似于拉丝模)具 有抛光表面。然而，本发明可应用于珠宝领域，该标记可应用于宝石 的一个抛光小面，优选为应用于宝石的顶切面。已经提出了各种方案 以用于在宝石或工业钻石上形成肉眼不可见的标记；这样在宝石的情 况下，该标记位于在珠宝安置架上可见的小面上。严格意义上说，大 多数可行的步骤在表面中(而不是在表面上)形成标记，因此，通过 材料的除去(称为磨铣)从而形成该标记。然而，本文中所用的例如 “在表面上”的术语包括这种依据常规用法的磨铣。

首先控制该标记的深度，以便将该标记的可见性限制成如此程度， 即，不损坏宝石尤其是钻石的美感特性和价值，优选的是该标记不损 坏该钻石的内在清晰度。通常，该标记对于肉眼是不可见的。广义上 说，标记不损坏宝石的美观或美感外形。存在有各种标准，但是通常 的要求是对于肉眼使用×10倍的放大镜，在×10倍放大率下内在瑕疵 是不可见的，尽管钻石的标记是比较流行的，一定程度上的可见标记 是可接受的，特别是该标记不是严格意义上的内在瑕疵。例如，占据 面积达到1mm2蚀刻深度为25nm或50nm的标记虽然在×10倍放大率下 在特定照明条件下是可见的，但是该标记是可接受的。达到500nm深 度的更深的标记也可能是可接受的。最小深度是约20nm或约30nm。 然而，优选的是，在宝石上的标记足够浅，以便不产生来自任何区域 的光散射。在WO97/03846中，对于形成的标记的尺寸进行了描述。形 成该标记的线可具有的宽度∶深度比率约为20∶1至3000∶1，但是优选 的范围是50∶1至1000∶1。

该标记以任何适当的方式形成。一种方法是使用微光蚀刻，小面被 旋转涂敷有抗蚀剂或光致抗蚀剂，并且任一图象的掩膜通过使用使得 抗蚀剂暴光的暴露照射从而投射到被涂敷的小面上，(通常使用透镜 系统来减小相对于掩膜的图象尺寸)，或通过使用移动光束(直接光 束刻写)将图象刻写在被涂敷的小面上。该抗蚀剂随后显影以去除所 选择的部分，实际上在该小面上提供了接触掩膜。在显影过程中，抗 蚀剂的暴光和不暴光部分以不同的速率显影，在正性抗蚀剂中，暴光 区域容易地溶解，使得在暴光区域的表面或小面没有遮挡。在Thompson 等人所著的“Introduction to Microlithography”1994年第2版 中对于微光蚀刻有详细描述。随后宝石或工业钻石通过使用等离子蚀 刻进行磨铣，等离子蚀刻在US5344526或WO98/52773中进行了描述。 另一方法是使用直接侵蚀宝石或钻石的表面的辐射，或是经掩膜进行 投射或是在表面上直接刻写，例如WO97/03846中所述。

本发明的第一方面的背景

当将掩膜图象投射到宝石或工业钻石的表面上时，操作者必须该掩 膜对准例如宝石的顶切面的中心，并且所希望的是，对该标记进行定 向，使得标记中的文字平行于表面的一个边缘。另外，必须设定该暴 光图象的焦点。

US6016185描述了一种用于制造半导体和微机械装置的装置，其通 过使用平铺技术来投射掩膜阵列，其中图象必须与掩膜具有相同的尺 寸。可使用双向光路径，以便使在工件上的对准掩膜在该掩膜的底表 面上形成图象。该图象对于精确聚焦来说在定位上不方便，并且如果 需缩小则该装置无法使用。

本发明的这方面的目的是克服或减轻现有技术中的至少一个缺 点，或提供一种有用的替代方案。

本发明的第一方面

依据本发明的第一方面，提供了一种如权利要求1或34所述的方 法和一种如权利要求20或35所述的设备。从属权利要求主张了优选 和/或可选的特征。

本发明的第一方面在于使用两种在宝石或钻石上形成标记的不同 方法中的一种方法，即，通过将掩膜的图象投射到宝石或钻石上或投 射到在其上的抗蚀剂上，或者通过例如激光束的光束扫描和移动从而 在宝石或钻石上刻写或在其上的抗蚀剂上刻写。在任一方法中，暴光 辐射使得用于随后蚀刻的抗蚀剂暴光，或者直接侵蚀宝石或钻石的表 面。光束直接刻写具有这样的优点，即，不需要对于每一图案制造投 射掩膜，即可制成不同的图案，由此使得例如序列号或选择的标记形 成在钻石中。然而，构图图象优选地经掩膜投射。

该构图图象的使用提供了一种使该暴光图象定位(对准)并定向的 简单方法。而且，该构图图象的使用提供了一种例如当使用可见光或 紫外光进行掩膜的图象投射时使该暴光图象聚焦的较佳的方法。操作 者可相对于焦平面通过使用机械调节来改变宝石或工业钻石的位置。 如果该构图图象经物镜或透镜系统进行投射并经物镜或透镜系统被感 测，则该设备在聚焦中的误差将翻番，这是因为该构图图象经物镜或 透镜反射回来，并且因此行进了等于聚焦中的误差两倍的距离；该聚 焦误差的这种放大使得聚焦非常准确并且非常容易地来进行。然而可 在物镜或透镜系统与宝石或钻石之间加入光束分离器，并且在图象不 经过该主物镜或透镜系统的情况下感测该图象。

在该方法实施过程中，该构图图象可由电子式图象检测器通过使用 任何适当的用于构图辐射的波长来感测，或者如果该构图辐射位于可 见范围内，则该构图图象可由肉眼观察。这样，掩膜的暴光区域可限 定一对应于待形成的微小标记的形状的形状，或限定对准掩膜以便帮 助暴光图象在宝石上的准确定位。或者，如果该暴光辐射是扫描形式 的，例如在激光束的情况下，该暴光辐射穿过该暴光区域进行扫描， 以便进行光束直接刻写。理论上，可使得该对准区域是透明的或根本 没有掩膜，并且也可进行该构图辐射。

本发明的第二方面的背景

当在宝石或工业钻石上特别是在宝石上施加微小标记时，所希望的 是，可施加独特的序列号。然而，如果使用投射掩膜，则由于对于每 一宝石需要不同的掩膜，所以这将产生非常大的费用。

本发明的该方面的目的是克服或减轻现有技术中的至少一个缺 点，或提供一种有用的替代方案。

本发明的第二方面

依据本发明的第二方面，提供了一种如权利要求19所述的方法和 一种如权利要求33所述的设备。从属权利要求主张了优选和/或可选 的特征。

本发明的第二方面提供了一种当特别是形成序列号标记时在逐个 宝石上形成标记的简单方法。

优选实施例

参照附图结合实施例进一步来描述本发明，在附图中：

图1是描述安置宝石以便形成宝石夹的方法的示意图；

图2是描述通过微光蚀刻在宝石上形成标记的方法的光路示意 图；以及

图3示出了用于图2所示的光学系统的适当的构图掩膜。

安装钻石-图1

图1示出了具有主体1的注射模制工具的一部分。具有注射浇口3 的环形(圆形)的宝石夹环2设置主体1的凹口1a中。对中心销4具有 向上施压的弹簧，该对中心销穿过凹口1a的中心并承载一具有中心孔6 的非金属插入件5。首先，对中心销4的位置高于图1所示的位置。抽吸 作用施加在中心孔6和钻石7上，具有其顶切面7a的图示的钻石放置在 插入件5的顶部上。顶板8在腔上封闭，以便将钻石向下推并使得顶板8 的下表面与顶切面7a的水平面接合。真空从中心通道6断开。该对中心 销4随后锁定就位，并且例如为Elastron G 1047的柔性弹性体9经主 浇口10注射模制到环2的内壁、钻石7、插入件5和对中心销4之间的 空间中。宝石夹环2的一个浇口3对准主浇口10，而另一浇口3对准通 向卸料口1b的通道。当弹性体9设定时，顶板8取出，对中心销4向上 推由环2和对中心销4形成的宝石夹11，并且宝石夹11离开对中心销4 的顶部。如果橡胶泄漏经过钻石7的底面进入通道6，插入件5与宝石夹 11一起离开并被拆下。

清理

金刚石7现在通过用浸入酒精的药签机械清理，或将金刚石7或宝 石夹11拉过光学透镜专用清理织物或类似物清理。作为选择，宝石夹11 可安装在真空吸盘上并围绕最好垂直于钻石7的顶切面7a的轴线转动。 在这种情况下，可以使用溶剂，随后旋转干燥，机械清理和任何其它适 合的技术。

抗蚀剂涂覆

如果通过微刻技术对小面进行蚀刻，宝石夹11可安装在真空吸盘上 并围绕最好垂直于并通过钻石7的顶切面7a的轴线转动。如果多个钻石 7已经设置在宝石夹11内，该轴线应该大致通过宝石夹11的中心线。

施加光致抗蚀剂至少覆盖钻石7的顶切面7a。适合的正性抗蚀剂材 料是由Shipley Company制造的Microposit 1818，它是酚醛清漆抗蚀 剂。带有宝石夹11和钻石7的吸盘在通常为4000～8000rpm的高速下转 动长达15～30秒。这造成钻石顶切面7a大部分上的抗蚀剂膜的均匀厚 度为1～2微米。如果顶表面在钻石顶切面7a、保持材料2的表面和宝石 夹11的侧壁5的顶部上连续，将没有小球或边缘形成在钻石顶切面7a 上。

预暴光烘焙

接着烘焙抗蚀剂。通常的条件是在115℃下进行1分钟。这可以通 过将宝石夹11放置在热板上完成，最好是使用真空吸盘将其保持紧密接 触。热量通过预热板的接触进入宝石夹11并快速传递到钻石7。作为选 择，通过感应加热、结合在宝石夹11内的加热元件、或以例如用远红外 线辐射来照射顶切面7a的其它适当方式来产生加热效果。宝石夹11的 温度可以通过安装在宝石夹11内或与其接触的热电偶或类似物测量，并 且该测量可控制加热装置调节温度。作为选择，热板的温度可以测量和 控制。

在烘焙之后，断开热源并且宝石夹11快速冷却。钻石7现在准备进 行抗蚀剂暴光。

光学暴光

宝石夹11放置在适当的微刻设备的水平台板上以便将抗蚀剂暴光成 与将要形成的标记相对应的图案，例如通过以缩小10倍的比例将掩模投 射到钻石顶切面7a上。暴光图像的定位、定向和焦距适当调节，钻石顶 切面7a严格地保持平行于设备的台板并严格地位于该台板之上的预定高 度处。在可选择的配置中，宝石夹11可通过压靠设置有开口的向下形成 的对齐表面保持，钻石顶切面7a通过该开口进行辐射。在此选择例中， 宝石夹环2的底侧不需要严格地平行于由宝石夹环2的顶部形成的参考 平面并位于该参考平面之下的预定距离处。

可以使用任何适合的辐射以便暴光抗蚀剂。对于Microposit 1818 抗蚀剂，350～450nm波长范围内的电磁辐射是适合的。更短的波长使得 图案分辨率更高。暴光可通过单个波长实现，例如采用在436nm的汞放 电灯，或者采用波长带，例如过滤的钨/卤素灯。

后暴光烘焙

希望是将抗蚀剂经历后暴光烘焙。扩散的过程降低抗蚀剂内驻波或 干涉条纹的影响。该工序与所述的预暴光烘焙的工序类似。

显影

抗蚀剂的显影是常规的。所使用的设备与所述的抗蚀剂旋涂器类 似。

蚀刻

可以例如从Oxford Plasma Technology(UK)或South Bay Technology(USA)得到等离子蚀刻设备。可以使用DC放电蚀刻，但最 好使用无线电频率等离子以避免钻石充电的问题。活性离子蚀刻是优选 的，钻石安装在蚀刻器的受驱电极上而不是安装在地电极上。在一个实 例中，钻石相对于例如100～1000伏的等离子产生负性偏压电位。来自 等离子的高能离子的冲击可造成碳的未反应钻石同素异形体转变成例如 石墨的更加活性的形式。可以供应纯氧或氧/氩混合物或空气以便氧化石 墨。优选的等离子是75％的氩和25％的氧，尽管作为选择可以使用纯氧 蚀刻，随后是纯氩蚀刻以便去除表面上的氧。

松释

钻石7从宝石夹11中推出并进行清洗以便去除抗蚀剂。

图2-使抗蚀剂暴光

图2示出了用于使抗蚀剂暴光的一种结构的光学系统。该钻石7位 于宝石夹11中，该宝石夹具有由宝石夹环2的下表面限定的定位表面。 台板或工作台30的上表面形成朝上的对准表面。以这种方式，钻石7的 顶切面7a准确地定位成平行于工作台30。标记可形成在顶切面7a的中 心处或形成在顶切面7a的边缘处。宝石夹11可在工作台30上滑动，并 且由此可手动调节，或者可调节工作台30的位置和旋转。

该光学系统具有一个或多个构图/暴光(setting-up/exposure)辐 射源31，构图/暴光孔径光阑32、暴光光栅33、构图/暴光场透镜34、 构图/暴光掩膜35、第一光束分离器36、第二光束分离器37、物镜38、 照明辐射源39、照明辐射场透镜42、照明辐射视场光阑43、以及观察 平面44。物镜38在焦平面45上形成掩膜35的图象。所希望但不是重 要的是，对于构图波长和暴光波长，物镜38具有相同的焦距，并且对于 构图辐射波长和暴光辐射波长，物镜38具有良好的像差校正。

辐射源31优选的是例如为钨卤素灯的白炽灯或者例如为汞或氙或金 属卤化物电弧灯的放电灯。可替代地使用例如为氙闪光灯的脉冲光源、 或发光二极管或激光源。辐射光束通过光纤光导器、液体光导器和/或相 关的聚光透镜和反光镜传送到点31。为了在钻石7的顶切面上(实际上 在基准面45上)定位、定向并聚焦该图象，钻石7优选地借助于照明源 39进行照明，该照明源提供均匀的背景照明，以便可看见整个钻石7，(但 是使用一些形式的构图辐射，可不需要照明)。照明源39的波长必须确 定成使得该辐射不影响抗蚀剂，例如可使用波长大于500nm的光。照明 滤光器41确保该抗蚀剂不暴光。辐射源31随后转换成构图辐射。辐射 源31可包括两个不同的光源，一个光源用于构图，一个光源用于暴光， 在这样情况中，暴光光栅33不是必需的，光源可适当地被控制。或者， 如果该辐射源31发出构图辐射光束和暴光辐射光束，可设置有暴光光栅 33，以便当其闭合时，该暴光光栅33提供一滤光器，以阻挡暴光辐射光 束并且传送构图辐射光束。暴光光栅33可定位在辐射路径中的任何位置 处，并且可设置在辐射源31或掩膜35中。该构图辐射在钻石7的顶切 面7a上提供构图图象。通常，该光学系统显著地减小图象相对于掩膜的 尺寸。该构图(和暴光)图象与该掩膜相比较减小90％(10倍的缩小率)。 通常，缩小率优选为大约10倍至20倍或者达到100倍。然而，也可使 用较小的缩小率，大约2倍或4倍以上。在观察面44处通过肉眼观看该 构图图象，(该观察面可以是显微镜目镜的标度面)，该构图图象定位在 钻石顶切面7a上的正确位置中并(通过移动钻石或通过移动掩膜35从 而)正确地定向，并且随后机械地聚焦。然而，作为替换方案，例如CCD (电荷耦合器件式)照相机的电子式图象检测器可定位在观察面44上， 并且该构图图象可随后在屏幕上进行观察。通过使用第一光束分离器 36，可使得该观察面44位于光路径外侧，该构图图象在观察面处被感测， 在构图辐射到达钻石7之前该构图辐射紧随该光路径。

使得构图辐射以这样一种不影响宝石的小面的方式来形成标记， 即，如果使用光蚀刻，则该构图辐射必须使得该抗蚀剂不暴光。对于以 上提到的Microposit 1818抗蚀剂，构图辐射可以是波长范围500-550nm 的绿色或黄色光，即与照明辐射处于相同范围内。通常，如果其强度足 够低，大大低于暴光辐射的强度，该构图辐射可与暴光辐射相同。然而， 该构图辐射和照明辐射优选为不同的波长，以便提供对比度，这样根据 该透镜系统的色差，该构图辐射可以是波长大于630nm的红色光。该构 图辐射、暴光辐射、照明辐射均可包括波长段。

一旦定位、定向和聚焦设定之后，辐射源31转换成暴光辐射，或者 该暴光光栅33打开一预定的时间。该暴光辐射使得抗蚀剂暴光。

暴光场透镜34通过将暴光孔径光阑32的图象引入到物镜38的入射 光瞳中从而确保掩膜35的均匀照明，但是可使用其它装置来实现相同的 效果。通过改变该暴光孔径光阑32的尺寸，可控制照明的空间相干性， 这样可改变所产生的图象的质量。

物镜38可精确校正的显微镜物镜，放大率例如为10或20倍，但是 可替换地使用其它形式的物镜及其反射元件。物镜38具有的视场非常 小，以至于不能观察整个钻石顶切面7a。如果这样的话，可在其中设置 另一低倍数(放大率例如为5倍)的物镜，并带有用于将该物镜移入和 移出光路径的显微镜镜头转塔。

如果需要，第二透镜(未示出)可设置在暴光掩膜35与第一光束分 离器36之间，以便使得平行光穿过光束分离器36、37，并由此在光束 分离器36、37中获得更好的光学性能。

例如为硅光电二极管的传感器设置在其中，以便测量入射到钻石顶 切面7a上的暴光辐射量，以用于设定暴光时间以获得预定的暴光剂量。

图3-第一掩膜

暴光掩膜35可以是形式为带有大致不透明的涂层或薄膜的玻璃盘或 感光胶片，如果使用正性抗蚀剂，则在标记将要形成的位置处形成有透 明区域。如果使用负性抗蚀剂，则这样的对比是相反的。因为掩膜的图 象在尺寸方面减小，所以该胶片的颗粒大小的作用减小了，因此这在图 象中是不重要的。

由示例所示的掩膜35用于在钻石上形成标记“TEST 1234”，并且具 有在钻石顶切面7a的角部上用于对准的对准部件。

黑线是传送辐射的部分。该顶切面7a的由点划线表示。该标记“TEST 1234”至少传送该暴光辐射。

对准线51、52、53和对准曲线54、55传送该构图辐射，但不传送 该暴光辐射。该对准线和对准曲线51-55可由形成该掩膜35的一部分的 LCD(液晶显示器)来制成。作为替代，可使用在观察面44上的网格， 例如如果该掩膜位于钻石顶切面7a的中心处，可使用显微镜目镜交叉标 线网格。

通过使用在钻石顶切面7a上的构图图象，该标记“TEST 1234”利 用标准的聚焦装置(未示出)来进行聚焦。顶切面7a的角部随后设置在 线37上并朝向图象的中心手动向上移动。标准的X和Y方向的测微计调 节装置设置用于该图象相对于钻石顶切面7a的精确调节。如果钻石7具 有正八边形的顶切面7a，其中角部的顶角为135度，该顶切面7a的边 缘与线51、53对准；构图图象随后适当低定位并定向。如果该钻石没有 135度的顶角，则该顶切面7a的边缘与曲线54、55接触，并且角部在 线52上或在线52的延长线上。

该暴光掩膜35可在多次暴光之间改变，以便例如印刻序列号。该改 变可通过使用作为掩膜的一系列的感光图象来实现，或者该暴光掩膜35 是可调节的(可随意改变)，以便其遮挡效果可随之随意改变。以这样方 式，逐个钻石7可具有投射到其上的不同的暴光图象，并且可具有在其 上形成的不同标记。该掩膜可包括可移动的或可改变的元件，其形式为 可调节的数字或独立像素。这样，该掩膜35可至少包括一由空间光调制 器或独立像素形成的区域，其遮挡效果可随意改变。例如液晶光阀或液 晶空间光调制器或微镜阵列的器件可与暴光掩膜35结合，(该液晶空间 光调制器需要偏振器，该微镜阵列需要非常稳定但对于偏振光和间接损 失没有要求)。这种器件不需要实际地定位在由暴光掩膜35占用的平面 上，这是因为成像透镜系统可用于形成在暴光掩膜35的平面中的器件的 图象。如果使用微镜阵列或其它反射式掩膜，该照明系统31-34将必须 构形成对该掩膜用反射光进行照明。作为改变遮挡效果的示例，在图3 中文字“TEST”可形成掩膜35的永久部分，并且数字“1234”作为对于 每一钻石7的序列号形成标记。

第二掩膜

该构图辐射和/或暴光辐射可扫描到钻石顶切面7a上，而不使用实 际掩膜，该扫描器由例如计算机的可编程的装置来控制。通常，优选的 是对暴光辐射进行扫描，并使用用于构图辐射的掩膜，在这种情况下， 该掩膜对于暴光辐射是透明的，而对于构图辐射是不透明的，除非其切 割成提供构图图象，例如提供定位、对准、定向、和聚焦图案。在该情 况下，形成标记的实际图案不用于构图，并且使用专用对准标记。

除非文中清楚需要其它说明，在整个说明书和权利要求中，与排他 或穷尽的含义相反，词汇“包括”，“包括有”和类似措辞应理解为范围 广的包括；也就是说，是“包括但不局限于”的含义。

尽管本发明结合宝石或工业钻石来进行描述，但是本发明可广泛地 应用于在任何适当工件上形成微小标记，例如在电子半导体芯片上。

整个说明书中对于现有技术的描述绝不理解为是如下认同，即这种 现有技术广泛公知或形成本领域公知常识的一部分。

本发明纯粹通过实例进行描述，并且可以在延伸到所述特征的等同 概念上的本发明的精神内进行变型。

发明背景