СПОСОБ МАРКИРОВКИ ТВЁРДОГО МАТЕРИАЛА И ТВЁРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МАРКИРОВАННЫЕ УКАЗАННЫМ СПОСОБОМ
METHOD FOR MARKING SOLID MATERIAL AND SOLID MATERIALS MARKED BY SPECIFIED METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области маркировки твёрдых материалов, в частности, к маркировке драгоценных камней, включая алмазы.
Уровень техники изобретения
Идентификация и классификация драгоценных камней давно используются лабораториями международных стандартов, в том числе GIA, IGI, Gem-A и NGTC. Результат идентификации и классификации обычно сохраняется на электронных носителях, таких как жесткие диски, ленты, компакт-диски и тому подобное, и вместе с соответствующим драгоценным камнем выдается бумажный сертификат.
Когда сертификат утерян или когда драгоценный камень смешан с другими драгоценными камнями, идентичность драгоценного камня утрачивается, и требуется повторная сертификация.
Прямая маркировка драгоценных камней, в том числе алмазы, как правило, представляет собой простой способ, позволяющий избежать таких ситуаций и дающий возможность повторно идентифицировать драгоценный камень.
Традиционные способы маркировки драгоценных камней, в том числе алмазы, включают в себя лазерную маркировку и ионно-лучевую маркировку.
Однако при использовании лазерной маркировки образуют грубая метка, которая оставляет неустранимые следы абляции на драгоценном камне, вызывая необратимые повреждения, и может обесценить драгоценный камень.
В случае ионно-лучевой маркировки такая техника может применяться для нанесения аккуратных меток на поверхность драгоценного камня, которые могут быть в 1000 раз меньше, чем при использовании лазерной маркировки, однако этот процесс обычно относительно медленный и требует точности.
Помимо идентификации камня, маркировка драгоценных камней может обеспечить отслеживание камня, в том числе его происхождение, владельца, его особенности и тому подобное. Такие методы маркировки могут также помочь в предотвращении подделки драгоценных предметов, таких как произведения искусства или ювелирные изделия, и помочь в случае кражи.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа маркировки твёрдых материалов, в том числе драгоценных камней, и идентификационная маркировка, которая преодолевает или, по меньшей мере, частично устраняет, по меньшей мере, некоторые недостатки, связанные с предшествующим уровнем техники.
Сущность изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение относится к способу формирования неопределяемой оптически идентифицируемой маркировки, невидимой невооруженным глазом, указанная маркировка формируется из множества углублений на нескольких уровнях на внешней поверхности изделия, сформированного из твёрдого материала, указанный способ включает в себя этапы:
(i) формирование множества углублений на нескольких уровнях внутри заранее определенной области фоторезиста, нанесенного на внешнюю поверхность изделия, сформированного из твёрдого материала, где указанное множество углублений на нескольких уровнях сформировано литографией в оттенках серого и где указанное одно или несколько углублений проходят, по меньшей мере, частично через фоторезист по направлению к указанной внешней поверхности изделия, сформированного из твёрдого материала; и
(ii) применение процесса травления таким образом, чтобы, по меньшей мере, часть внешней поверхности указанного изделия была доступна для экспонирования и протравливалась так, чтобы сформировать множество вытравленных участков, продолжающихся в указанное изделие от внешней поверхности изделия и соответствующих указанному множеству углублений;
где указанная заранее определенная область указанного фоторезиста определяет идентифицируемую маркировку, наносимую на внешнюю поверхность указанного изделия; где указанное множество вытравленных участков образует не идентифицируемую оптически маркировку на внешней поверхности указанного изделия.
Маркировку можно увидеть с помощью 10-кратной или 20-кратной лупы. В качестве альтернативы максимальная ширина вытравленных участков изделия составляет менее 200 нм, так что идентифицируемая маркировка не обнаруживается оптически в спектре видимого света.
Множество углублений могут проходить через фоторезист, таким образом, чтобы обеспечить в нем одно или несколько отверстий и обеспечить одну или несколько открытых частей указанной внешней поверхности изделия до применения процесса травления, так чтобы вытравленные участки, соответствующие одному или нескольким отверстиям, имели приблизительно одинаковую глубину в изделии.
Углубления могут проходить через фоторезист на разной глубине относительно друг друга до применения процесса травления, так чтобы вытравленные участки имели разную глубину в изделии.
В процессе литографии в оттенках серого могут использоваться маски с отверстиями разного размера и формы.
Литографический рисунок в оттенках серого предпочтительно создается при помощи литографии на основе лазерной интерференции.
Литографический рисунок в оттенках серого может быть создан путем прямой лазерной записи на фоторезисте.
Углубления указанного множества углублений могут быть расположены в периодическом и единообразном расположении относительно друг друга в пределах указанной заранее определенной области фоторезиста. Альтернативно, углубления указанного множества углублений могут быть расположены в непериодическом и не единообразном расположении относительно друг друга в указанной заранее определенной области фоторезиста.
Фоторезист может иметь одинаковую толщину или может иметь неодинаковую толщину.
Наружная поверхность указанного изделия может быть ровной или может быть неровной.
Углубления указанного множества углублений могут иметь одинаковую ширину, или указанное множество углублений может иметь неодинаковую ширину.
Одно или несколько углублений могут быть образованы из множества смежных углублений.
Предпочтительно процесс травления представляет собой процесс плазменного травления.
Одно или несколько углублений из множества углублений могут быть наклонены по отношению к внешней поверхности изделия.
Одно или несколько углублений из множества углублений могут быть изогнутыми, по меньшей мере, в одной плоскости по отношению к внешней поверхности изделия.
Твердый материал предпочтительно выбран из группы драгоценных камней, состоящей из алмаза, жемчуга, кремния и синтетического сапфира.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к сформированному из твёрдого материала изделию, имеющему неопределяемую оптически идентифицируемую маркировку, невидимую невооруженным глазом, где указанная неопределяемая оптически идентифицируемая маркировка наносится на указанный твёрдый материал посредством способа по первому аспекту.
Твердый материал предпочтительно выбран из группы драгоценных камней, включающей в себя алмаз, жемчуг, кремний и синтетический сапфир.
Маркировку можно увидеть и проверить с помощью 10-кратной или 20-кратной лупы. В качестве альтернативы маркировка может не обнаруживаться оптически в спектре видимого света.
Краткое описание чертежей
Чтобы получить более точное понимание вышеизложенного изобретения, более конкретное описание изобретения, кратко описанного выше, будет представлено со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Представленные здесь чертежи могут быть не масштабированы, и любые ссылки на размеры на чертежах или в нижеследующем описании относятся к раскрытым вариантам осуществления изобретения.
Прилагаемые чертежи иллюстрируют настоящее изобретение и объясняют его принцип. На всех чертежах одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым частям:
На фиг. 1 показаны характеристики фоторезиста, пригодного для литографии в оттенках серого;
На фиг. 2 показан график, иллюстрирующий реакцию фоторезиста на различные условия возбуждения;
На фиг. 3 показана маска из фоторезиста для создания 2.5D-рисунка при помощи литографии в оттенках серого;
На фиг. 4 показано, как лазерную интерференцию можно применить для литографии в оттенках серого;
На фиг. 5 показано применение литографии в оттенках серого на неровной поверхности; и
На фиг. 6 показан полный процесс создания маркировки на изделии.
Подробное описание чертежей
Чтобы получить более точное понимание вышеизложенного изобретения, более конкретное описание изобретения, кратко описанного выше, будет представлено со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Представленные здесь чертежи могут быть не масштабированы, и любые ссылки на размеры на чертежах или в нижеследующем описании относятся к раскрытым вариантам осуществления изобретения.
Настоящее изобретение относится к способу создания неопределяемой оптически идентификационной маркировки на внешней поверхности изделия, сформированного из твёрдого материала. Хотя нижеследующее описание и примеры относятся к маркировке драгоценных камней, в частности алмазов, настоящее изобретение применимо к маркировке поверхности любого твёрдого материала.
Способ нанесения маркировки на поверхность изделия из твёрдого материала в соответствии с настоящим изобретением состоит из двух этапов:
(i) формирование маски из фоторезиста на поверхности изделия, и
(ii) последующее травление поверхности изделия.
Маска состоит из множества углублений, сформированных в заранее определенной области фоторезиста, который наносится на внешнюю поверхность изделия.
Множество углублений сформировано литографией в оттенках серого, и одно или несколько углублений проходят, по меньшей мере, частично через фоторезист от внешней поверхности фоторезиста к указанной внешней поверхности изделия, сформированного из твёрдого материала, на который наносится маска.
Процесс травления представляет собой плазменное травление, которое может быть микроволновым плазменным травлением, реактивным ионным травлением (РИТ) или травлением с индуктивно связанной плазмой (ИСП).
В процессе травления удаляется, по меньшей мере, часть внешней поверхности указанного изделия, чтобы сформировать множество вытравленных участков, проходящих в изделие от внешней поверхности изделия и соответствующих указанному множеству углублений, которые сформированы в фоторезисте.
Преимущественно авторы настоящего изобретения использовали свойства литографии в оттенках серого, чтобы обеспечить фоторезисту, нанесенному на внешнюю поверхность изделия из твёрдого материала, неравномерную толщину на заранее определенной области. Таким образом, создаваемые метки являются многоуровневыми или два с половиной мерными (2.5D).
Затем при помощи процесса травления с поверхности изделия удаляют материал с постоянной скоростью, независимо от того, является ли материал фоторезистом или субстратом.
Это приводит к появлению множества вытравленных участков в заранее определенной области указанного фоторезиста, формирующих не обнаруживаемую оптически идентификационную маркировку на внешней поверхности изделия.
В вариантах осуществления изобретения максимальная ширина вытравленных частей изделия может составлять менее 200 нм, так что маркировка не обнаруживается оптически в спектре видимого света и не изменяет внешний вид изделия и не приводит к неэстетичной маркировке. Такая маркировка, неопределяемая оптически, называется «невидимой маркировкой».
На фиг. 1 показано схематическое изображение способа формирования неопределяемой оптически идентификационной метки в соответствии с настоящим изобретением на внешней поверхности изделия, сформированного из твёрдого материала 10.
В литографии в оттенках серого выбор фоторезиста имеет решающее значение. В обычной фотолитографии идеальный фоторезист необходим для получения четкого отклика при экспонировании. Фоторезист химически изменяется при воздействии излучения, такого как УФ или видимый свет, независимо от интенсивности освещения. Этот тип отклика требуется для создания изображения с высокой точностью размеров и высокой контрастностью.
На фиг. 1 показано какую кривую отклика 101 на практике имеет обычный фоторезист. Фоторезист не реагирует, пока не будет достигнут определенный порог. Затем скорость проявления оказывается пропорциональной дозе экспозиции и становится насыщенной. При таком характере отклика обычно требуется передозировка, чтобы создать надежный рисунок.
Однако такое сильное воздействие может повредить субстрат или изделие, на которые должна быть нанесена маркировка, и создаваемые метки-рисунки обычно ограничиваются двумерными рисунками.
Фоторезист, используемый в литографии в оттенках серого, может иметь несколько особенностей. Во-первых, вместо того, чтобы иметь резкую кривую отклика, которая предпочтительна в традиционной литографии, фоторезист предпочтительно имеет широкое окно дозы экспозиции, так что скорость проявления может контролироваться дозой экспозиции. Такой характер отклика иллюстрируется кривой отклика 102 на фиг. 1, где сплошная кривая отклика 102 показывает, что скорость проявления фоторезиста пропорциональна дозе экспозиции.
Еще одна характеристика фоторезиста, используемого в литографии в оттенках серого, заключается в том, что фоторезист может изменять свою поглощающую способность или коэффициент пропускания при экспонировании. В одном примере, иллюстрирующем это свойство, фоторезист AZ 9260 полупрозрачен для УФ-излучения, а типичная глубина проникновения УФ-излучения составляет от 1 до 2 микрон.
Под действием дозы УФ-излучения поглощающая способность фоторезиста изменяется так, что указанный фоторезист становится прозрачным. Другой термин для описания такого поведения - «фотообесцвечивание». Когда верхний слой указанного фоторезиста обесцвечивается, УФ-излучение может проникать глубже в фоторезист для продолжения реакции.
Проявление обычных фоторезистов и фоторезистов для проявления в оттенках серого показано на фиг. 2a, 2b и 2c. На фиг. 2а изображен обычный фоторезист 201, экспонируемый возбуждением 202. Когда доза превышает порог проявления, фоторезист 203 реагирует.
В отличие от этого, в оттенках серого скорость проявления контролируется дозой экспозиции E, которая может быть выражена как:
E = I t,
где I - поток экспонирования, t - время экспонирования.
Эта концепция продемонстрирована и изображена на Фигурах 2b и 2c, на которых настраиваются эти два параметра.
На фиг. 2b, узкая стрелка 204 обозначает слабый поток экспонирования, а широкая стрелка 205 обозначает сильный поток экспонирования. Как показано на этой Фигуре, при сильном экспонировании фоторезист полностью обесцветится.
На фиг. 2c длина стрелок зависит от времени экспонирования t. При поддержании постоянного потока экспонирования более короткое время экспонирования 206 обеспечит воздействие только на поверхностный слой фоторезиста, тогда как, когда при достаточно длительном времени экспонирования, как показано стрелкой 207, фоторезист может быть полностью обесцвечен.
В случае источника возбуждения, который имеет большую площадь освещения или не регулируемую интенсивность и синхронизацию, рисунок не может быть создан путем прямого воздействия источника возбуждения на фоторезист. Таким образом, маска с оттенками серого необходима для контроля дозы экспозиции фоторезиста.
Способ реализации этого контроля показан в варианте осуществления изобретения, в котором доза регулируется размером отверстий в маске фоторезиста, которая помещается между источником света и субстратом, покрытым фоторезистом, как показано и изображено на фиг. 3.
Как показано на фиг. 3, показан пример маски, в которой четыре набора матриц 303 с квадратными отверстиями отпечатаны на маске фоторезиста 301. Эти отверстия 303 имеют разные размеры, поэтому количество света, проходящего через маску 301 к фоторезисту 304, может контролироваться отверстиями 303.
Возвращаясь к выражению дозы экспозиции, этот подход с использованием маски в оттенках серого изменяет поток экспонирования I фоторезиста при экспонировании посредством возбуждения 302, так что скорость проявления различается на разных участках фоторезиста 304 на субстрате 305. Окончательный рисунок представляет собой пошаговую структуру, как это показано.
Одним из недостатков этого подхода с использованием маски для создания 2.5D-рисунка является то, что разрешение окончательного рисунка ограничивается способом изготовления и качеством маски.
Даже если технология может создать маску с высоким разрешением, необходимо учитывать дифракцию возбуждения на маленьком отверстии, поскольку это снижает разрешение.
Следовательно, более практичным подходом к литографии в оттенках серого является использование источника возбуждения, в котором можно регулировать интенсивность и синхронизацию указанного источника возбуждения.
Усиление света за счет стимулирования излучения устройства излучения, обычно известного как лазер, является распространенным решением этой задачи.
В настоящее время интенсивность лазерного излучения можно легко регулировать для любых лазерных устройств, а размер лазерного пятна можно сфокусировать до микронного масштаба с помощью соответствующего набора линз.
Тогда поток I можно настроить с помощью правильного набора параметров. За время экспонирования t сверхбыстрые лазеры могут генерировать лазерный импульс в фемтосекундном масштабе времени. Контролируя количество испускаемых лазерных импульсов, время экспонирования t может быть точно настроено в фемтосекундном масштабе времени. Это предполагает сверхвысокое разрешение дозы экспозиции фоторезиста.
В литографии в оттенках серого экспонирование фоторезиста прямым лазерным письмом является распространённым подходом, однако экспонирование фоторезиста может быть выполнено другими оптическими методами.
Литография на основе лазерной интерференции представляет собой еще один подход к экспонированию фоторезиста для литографии в оттенках серого, и этот принцип проиллюстрирован на фиг. 4. Луч когерентного источника света, такого как лазер, разделяется на два с помощью элементов разделения луча, таких как решетка, поляризатор, разделитель луча и тому подобное.
Эти два разделенных луча направлены на разные пути для модуляции. Эталонный луч 401 облучает непосредственно фоторезист 405, в то время как другой луч 402 направляется на набор компонентов оптической модуляции 403 и излучается как луч 404, в котором изменяются фаза и/или интенсивность.
Луч 401 и луч 404 рекомбинируют и интерферируют. Результирующий луч имеет неравномерное распределение интенсивности по поверхности фоторезиста 405 на субстрате 406. Это изменение экспозиционного потока I индуцирует различные дозы экспозиции фоторезиста 405 и создает на фоторезисте 405 2.5D-рисунок после проявления.
Еще одна особенность литографии в оттенках серого заключается в том, что рисунок фоторезиста можно создать на субстрате с неплоской или неровной поверхностью, как показано на фиг. 5.
В случае обычной литографии толщина слоя фоторезиста, наносимого на субстрат, обычно неконтролируема для неплоской или неровной поверхности субстрата. Поскольку в случае обычной литографии не возможно точно контролировать глубину экспонирования и скорость проявления, точный рисунок не может быть точно нанесен на фоторезист с помощью технологии предшествующего уровня техники.
Использование литографии в оттенках серого обеспечивает решение проблемы проявления фоторезиста на неровной поверхности субстрата. Как показано на фиг. 5, неровная поверхность 502, покрытая слоем фоторезиста 503. Поскольку слой фоторезиста имеет неравномерную толщину, морфология поверхности субстрата со слоем фоторезиста измеряется сканером поверхности, чтобы рассчитать дозу экспозиции 501 на различных участках субстрата. Дозу экспозиции можно регулировать либо потоком возбуждения, или временем экспонирования.
После того, как фоторезист, маскированный желаемыми рисунками, подготовлен, образец субстрата готов к следующему этапу способа, на котором образец субстрата протравливается для удаления фоторезиста и очень тонкого слоя материала с поверхности субстрата, чтобы сформировать маркировку в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 6a, 6b и 6c показан иллюстративный пример полного процесса нанесения маркировки на твёрдый материал в соответствии с настоящим изобретением.
Сначала, как показано на фиг. 6a, тонкий слой фоторезиста 601 наносят на внешнюю поверхность субстрата из твёрдого материала 602. Фоторезист 601 экспонируют с желаемым рисунком, контролируя дозу экспозиции 603 в обозначенной области при помощи литографии в оттенках серого. В этом примере фоторезист является позитивным фоторезистом, поэтому после экспонирования экспонированный фоторезист становится более растворимым и легко смывается растворителем.
Как показано на фиг. 6b, оставшийся рисунок фоторезиста 604 остается на поверхности субстрата.
Следующим этапом способа является плазменное травление поверхности субстрата твёрдого материала 602. Неэкспонированный фоторезист 604 действует как защитный слой на поверхности обозначенной области твёрдого материала 602. Поскольку плазменное травление может быть неизбирательным процессом, материал с поверхности твёрдого материала 602 будет удаляться с постоянной скоростью независимо от положения. Таким образом, слой фоторезиста 601 будет удален раньше, чем материал твёрдого материала 602 под ним. Путем управления дозой экспозиции 605 желаемый 2.5D-рисунок может быть сформирован на поверхности субстрата 606 из твёрдого материала 602, как показано на фиг. 6c.
В способах реактивного ионного травления (РИТ), типичном методе плазменного травления, образуется большое количество ионов, которые ускоряются по направлению к мишени для удаления материала путем распыления и связанных с этим процессов. Известно, что такой процесс имеет низкую избирательность.
По сравнению с РИТ травление с индуктивно связанной плазмой (ИСП) представляет собой химический процесс, в котором плазма используется для разложения травильных газов на смесь свободных радикалов и ионов. Таким образом, в то время как другие способы травления могут быть реализованы в рамках настоящего изобретения, травление ИСП представляет собой процесс химического травления, который имеет более высокую избирательность, и является предпочтительным способом травления в предпочтительных вариантах осуществления изобретения.
Настоящее изобретение относится к маркировке твёрдого материала, в частности к маркировке драгоценного камня, в том числе алмазов.
Чтобы повысить безопасность идентификации драгоценных камней, в том числе алмазов, необходимо повысить техническую сложность изготовления и нанесения маркировки.
Настоящее изобретение предлагает новый способ создания оптически невидимой идентифицируемой метки. Рисунок маркировки, созданный с помощью этого способа, является многоуровневым, что значительно увеличивает сложность подделки, обеспечивает большую гибкость и уникальность в дизайне рисунка, а также увеличивает количество информации, содержащейся в такой метке.
Маркировка может быть сделана достаточно мелкой, чтобы быть невидимой невооруженным глазом и чтобы не изменять оптические свойства изделия, на которое она наносится, такого как драгоценный камень, в частности алмаз.
В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть нанесена маркировка, которая может быть видима и проверена с помощью 10-кратной или 20-кратной лупы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения может быть нанесена маркировка, которая может не обнаруживаться оптически в спектре видимого света.
Особые преимущества настоящего изобретения включают в себя:
- обеспечение маркировки на нескольких уровнях и устранение необходимость в нескольких масках,
- возможность наносить очень сложную маркировку,
- возможность вводить варианты в маркировку, так что в некоторых вариантах осуществления изобретения маркировка является уникальной,
- отсутствие ограничений по точности формы, и
- высокое пространственное разрешение для получения точных профилей поверхности.
Такие преимущества обеспечивают повышенную безопасность и создают значительные технические препятствия для воспроизведения маркировки и, таким образом, обеспечивают улучшенные характеристики защиты от подделки.
Способ маркировки и маркировка таким способом настоящего изобретения обеспечивает следующие дополнительные преимущества:
(i) маркировка, которая не выглядит неаккуратной, и которую трудно увидеть;
(ii) маркировка, которая при нанесении на такие изделия, как драгоценные камни или ювелирные камни, позволяет идентифицировать их в целях безопасности, а также отслеживать и определять происхождение изделий;
(iii) в целях безопасности, такая маркировка может быть использована для предотвращения или выявления подделок и нарушений, включая кражу и тому подобное;
(iv) маркировка твёрдого материала без недостатков, связанных с другими разрушающими и инвазивными методами маркировки, такими как абляция, фрезерование, гравировка и тому подобное;
(v) методология и ее продукт, которая не изменяет оптических качеств или свойств твёрдого материала и не ухудшает прозрачность или цвет твёрдого материала;
(vi) методология и ее продукт, которая не вносит загрязняющих веществ или примесей в твёрдый материал;
(vii) методология и ее продукт, не требующая значительного удаления материала с поверхности твёрдого материала; и
(viii) методология и ее продукт, не содержащие связанных химических остатков.
Следует отметить, что, хотя маркировка имеет общую трехмерную структуру, используемый здесь термин «2.5D» или «два с половиной измерения», как известно специалистам в данной области, относится к структуре, которая хотя может иметь разную высоту, не включает в себя «недоуглубления». Таким образом, термин «многоуровневый» считается синонимом 2.5D. Следует также отметить, что термин «многоуровневый» также включает в себя наклонные поверхности, и что поверхности маркировки настоящего изобретения не обязательно должны быть параллельны друг другу и могут быть изогнутыми в одной или нескольких плоскостях.
Следует отметить и понимать, что варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируют его идею и принцип, а не являются ограничением. В этих вариантах осуществления методология и механизм реализации могут быть изменены или заменены на эффективное представление без отклонения от объема изобретения. Таким образом, прилагаемая формула изобретения не ограничивается вариантами его осуществления.
Термин «маркировка» используется во всем описании и формуле изобретения, и такая «маркировка» будет пониматься специалистами в данной области как относящаяся к «отметке», нанесенной на поверхность изделия, и эти термины являются синонимами друг друга и могут использоваться как взаимозаменяемые без изменения значения или интерпретации.