專利名稱：安裝和制備寶石或工業金剛石以便在其表面上形成標記的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及在寶石或工業金剛石上形成最好是微小標記的標記，并為該工序設置寶石或金剛石。這里使用的術語“微小標記”是寶石或工業金剛石上的任何非常小的標記。標記可以是例如珠寶零售商、制造商或商業組織的名稱或標志的可識別的商標或廠標。可以將標記施加在工業金剛石上，某些金剛石(例如拔絲模)具有拋光的表面。然而，本發明更適用于珠寶領域，標記施加在寶石的最好是頂切面的拋光小面之一上。已經提出不同的建議以便在寶石或工業金剛石上形成肉眼不可見的標記，因此在寶石的情況下，小面上的標記在珠寶安裝中將是可見的。在嚴格含義下，在表面內(而不是在其上)形成標記的大多數不同工序是通過去除材料(即磨削)來形成的。但是，按照傳統的用法，這里使用的例如“在表面上”的表達方式包括這種磨削。
主要控制標記的深度來將標記的可見性限制在不影響美觀以及特別是鉆石的寶石價值的程度。最好是標記使其不影響鉆石的內部清晰度。通常，標記對于肉眼不可見。在廣義上，標記應該不影響寶石的漂亮或美觀的外表。有不同的標準，但是正常需要是內部缺陷在放大10倍情況下對于在10倍放大鏡的幫助下的肉眼不可見，盡管對鉆石進行標記變得更加廣泛，某些可見的標記是可以接受的，特別是該標記嚴格來說不是內部缺陷。例如，面積為1mm2、蝕刻深度為25nm或50nm的標記是可以接受的，盡管它們在放大10倍的某些照明條件下是可見的。深達500nm的更深標記也可以接受，最小深度是大約20或30nm。但是，最好是寶石上的標記應該足夠淺，從而對于任何區域不產生顯著的光散射。在WO97/03846中，描述了可以形成的標記尺寸。形成的標記線的寬度∶深度比從大約20∶1到大約3000∶1，但優選的范圍是從50∶1到1000∶1。
標記以任何適當的方式形成。一種方式是使用微刻技術，其中小面用抗蝕劑或光致抗蝕劑旋涂，并且掩模的圖像使用使得抗蝕劑曝光的曝光輻射投射到涂覆的小面上(通常使用相對于掩模顯著減小圖像尺寸的透鏡系統)，或者使用運動光束在涂覆的小面上寫入圖像(直接光束寫入法)。接著顯影抗蝕劑以便除去所選部分，實際上在小面上提供接觸掩模。在顯影期間，抗蝕劑的曝光和未曝光區域以不同速率顯影，在正性抗蝕劑中，曝光區域更容易溶解，使得未掩模的表面或小面留在曝光區域內。在Thompson等人的第二版“Introduction toMicrolithography”(1994)中詳細描述了微刻技術。寶石或工業金剛石可以使用例如等離子蝕刻磨削，如US 5 344 526或WO 98/52773中所述。另一方法是使用直接沖擊鉆石或寶石表面的輻射，該輻射通過掩模投射或直接寫入該表面，如WO 97/03846所述。
本發明尤其涉及安裝和制備寶石或工業金剛石以便在其表面上形成標記。
本發明第一和第二方面的背景希望增加對于寶石或工業金剛石進行標記的速度。一個問題是花費許多時間來設定寶石或金剛石。該表面應該準確地設定成與曝光輻射垂直，使得圖像的完整區域清晰，最大傾斜誤差的實例是大約0.1°或0.2°。雖然允許相當大的誤差，例如高達±100微米，該表面通常應該設定在特定的高度上；高度上的小差別可以通過可調整的聚焦矯正，只要進行標記的表面不太遠離設備的參考平面即可。但是，蝕刻的速度對于將要蝕刻表面的高度很敏感。因此，希望提供保持寶石或金剛石的表面與曝光輻射垂直并保持在與預定高度總體靠近的高度上的方法。由于金剛石需要用抗蝕劑旋涂并加熱以便固定抗蝕劑，保持必須牢固，并且加熱到例如105°、110°或115℃長達50到70秒不顯著改變寶石或金剛石的定位。
WO 00/76583提出此問題的解決方法，即提供金屬板形式的保持器，該金屬板具有柱形通孔，該通孔具有與將要安裝在板內的金剛石的尺寸相同的尺寸。板放置在平的參考或接觸表面上，并且金剛石以頂切面向下方式插入孔，使其頂切面與接觸表面接合。插塞插入每個孔，并且粘合劑施加在金剛石和插塞以及插塞和孔之間，粘合劑干燥以便將插塞和金剛石固定在孔中。該解決方法需要帶有不同尺寸的孔的范圍廣的保持器，并且存在略微大尺寸的金剛石卡在孔中或不能正確調平或不能牢固固定的危險，并還存在金剛石上的點碎裂的危險。
通常，寶石或金剛石以適于所有涉及標記的工藝的方式保持。除此之外，安裝方法應該簡單，并且盡可能快速安裝、拆卸和清理。在大多數標記方法中，加上安裝工序本身有六種主要的方法。列出它們所需特性安裝-應該快速、干凈、安全、可靠、廉價和簡單；清理-應該是完全干凈的頂切面；旋轉-應該是寶石或金剛石的傳統處理和固定保持方法；烘焙-下面將進行說明；曝光-將要標記的表面應該調平，如上所述；顯影-應該是傳統的處理方法；蝕刻-支座應該是真空相容，并且寶石或金剛石應該與支座對中，其誤差在0.5mm內；拆卸-相對于安裝而言；支座和寶石的清理-相對于安裝而言。
使用以下步驟是公知的熱熔粘合劑-其溫度高于40℃的健康和安全極限，并且對于寶石和保持器需要經常使用酸進行化學清理；常溫粘合劑-其具有長的固化時間并通常需要酸浸蝕來去除；機械爪保持-它相對大和昂貴，并且需要費時的設定，對于不同的寶石和金剛石有顯著的變化，并且熱傳導性不好。
這些問題已經妨礙了在金剛石上蝕刻標記的特殊微刻技術的商業使用，總體上也是如此。
本發明的第一方面的目的是克服或消除現有技術的至少一個缺陷，或提供一種與安裝寶石或金剛石相關的有用的選擇。
本發明的第一方面本發明的第一方面提供權利要求1、37或38所述的方法和權利要求41所述的保持器。從屬權利要求要求了優選和/或任選的特征。因此總體上，按照本發明，寶石或金剛石放置在模具中，將要標記的表面與接觸表面接合，設定或保持材料圍繞寶石或金剛石模制并將寶石或金剛石固定保持，使其不能相對于保持材料運動，并且限定平行于接觸表面或與其共面的定位表面。該定位表面可位于保持材料上，但更方便的是將寶石或金剛石保持在容器內并將定位表面位于容器上。
所提出的步驟不需要按照上面提出的順序，例如，根據情況，在將寶石或金剛石放置在容器內之前或之后，用液體保持材料填充容器。如果容器是圓形的，可以說它具有單個側壁。
該方法提供一種設定寶石或工業金剛石的方式，使得各自小面或表面與參考表面共面，因此使得寶石或金剛石便于處理并快速和簡單地定位以便用曝光輻射處理。一個優點是對于大多數寶石的形狀和尺寸只需要一定尺寸的容器。寶石或金剛石可以安裝在單個車間中，以便輸送到其他地方進行標記。安裝的金剛石或其來源通過標示容器或保持材料進行識別，或將染料或顯跡裝置或隱藏的標示物質結合在保持材料中。
最好是保持材料不應該粘接在寶石或金剛石上，以便避免以后的清理問題，純粹通過機械互鎖裝置(即通過形狀)保持寶石或金剛石。但是，寶石或金剛石通過保持材料固定保持并不相對于保持材料在垂直于將要標記的表面的方向或在平行于該平面的方向上運動。在寶石的情況下，實際上當支承邊緣由保持材料保持時，保持材料將所有力傳遞到支承邊緣上。
至少在理論上，如果通過旋涂施加抗蝕劑，保持材料的相關表面可與寶石或金剛石的小面或表面共面，使得任何小球或邊緣形成在將要標記的表面之外；但是，如果由于不連續性形成小球，標記將離開該表面的邊緣形成。
抗蝕劑只覆蓋將要標記的表面，并且在蝕刻期間，除了將要標記的表面之外的寶石或金剛石的所有部分可通過保持材料保護，防止其他小面進行不需要的蝕刻。因此，在寶石小面的情況下，圍繞小面的寶石所有部分可覆蓋保持材料，保持材料的上表面與將要標記的表面共面。
采用本發明，可以使用相對便宜和可靠的設備施加高質量的標記，使得本發明的方法以節省成本的方式與拋光寶石或工業金剛石的制造方法結合在一起。
通常，如果使用抗蝕劑，保持材料應該在所述抗蝕劑烘焙溫度下穩定。可以使用不同類型的保持材料。
第一優選的保持可以是柔性或彈性的，例如是彈性體。彈性體是橡膠或橡皮帶；盡管不局限于此限定，彈性體是一種材料(可以是天然橡膠、合成橡膠或塑料材料)，室溫下該材料在低應力下拉伸到其原始長度的至少兩倍的長度，并在松開拉力之后馬上有力地返回到其大致原始長度。這里使用的詞匯“彈性體”具有普通含義，但不局限于此。例如在旋涂抗蝕劑時，如果保持材料足夠牢固地保持金剛石，由于在關鍵階段(即曝光該表面以便形成標記)可以允許一定的柔性，金剛石實際上沒有受力。使用柔性或彈性保持材料的優點在于在工序結束、表面已經進行標記時，例如使用相對小的力量，通過從后背向外推動將寶石或金剛石向外彈出；由于保持材料將剝落(如果它在容器內)并接著扔掉或回收，此時保持材料是否變形超過其彈性極限并不重要。容器不需要清理。在拆卸寶石或金剛石之后，寶石或金剛石只需要去除抗蝕劑的清理。
對于柔性或彈性保持材料的硬度進行選擇并作出折衷。保持材料越硬，蝕刻和清理期間的定位和抗力越好。但是，如果保持材料太硬，更難以取出寶石或金剛石，并且對于例如卵形的某些特殊形狀的寶石來說，如果保持材料太硬，會有切掉拐角的危險。通常，保持材料可以足夠彈性或柔性，以便能夠將寶石或金剛石在垂直于將要標記的表面的方向上推出保持器，而沒有使得保持材料塊脫離，盡管在保持材料中也許有一些裂紋。更優選的是，盡管保持材料可以變形超過其彈性極限，在保持材料中沒有裂紋。對于圓的多面形琢型石來說可以使用最硬的保持材料，并且以肖氏(硬度)A級測量，肖氏硬度可例如從大約60或70到大約100；對于圓的多面形琢型金剛石來說，優選的硬度是大約92。理論上，即使由聚合物制成，該保持材料可在室溫下很硬，并加熱以便取出寶石，但這不是所希望的。保持材料可以是透明的，透明可以幫助對齊特別“奇怪”的形狀，即寶石在平面視圖內不是圓形的。導熱性越低越好。適合的塑料是熱塑材料或合成橡膠，最好是改變性能的熱塑材料(即可熔化并且固化)。但是，保持材料可通過注射預制件制成，使得保持材料通過化學反應制成。同樣，盡管優選方法是使用熱注射模制，可以找到適合的聚合物，該聚合物可常溫注入并通過化學反應定形。
第二類型的保持材料是易碎的，使得保持材料在標記工序結束時便于破壞，以便松開寶石或金剛石，而沒有損壞寶石或金剛石的危險。該保持材料可注射模制成易碎聚合物或其預制件或以其他方式插入。
第三類型的保持材料是高于其熔點的液體，其通過正常冷凍或固化定形。如果選擇具有高導熱性的保持材料，寶石或金剛石可在短時間內加熱并且其溫度可準確控制。寶石或工業金剛石與該保持材料進行良好的熱接觸。
一種這樣的保持材料是例如銦的金屬或其合金。可以使用除了銦之外的金屬或合金。優選的合金是共晶合金，這是由于它們具有單個熔點，一種這樣的合金是錫/鉍合金。銦具有高的導熱性，并且其熔點大約是156℃，這意味著它可以方便地熔化。抗蝕劑烘焙溫度安全地位于熔點之下，并且可以使用過熱的水進行烘焙。銦具有低的蒸汽壓力。它趨于濕潤金剛石。可以使用助熔劑。盡管在更高的溫度下，銦在可以使用的溫度下對于金剛石沒有造成可測量到的損害，但存在蝕刻的危險。
在工序結束時，固化的第二類型的保持材料可進行熔化以便將其去除，任何留在寶石上的痕跡可以擦去。盡管如上所述銦趨于濕潤金剛石，它不粘接在金剛石的表面上。如果留有任何痕跡，它們可例如用王水去除。
使用任何類型的保持材料有助于清理寶石或工業金剛石的表面。可以使用適當的清理化學品，而不溶解保持材料以及例如造成污染。保持材料相對柔軟，并覆蓋將要標記的小面或表面的鋒利的邊緣或拐角，在機械清理期間防止或減小清理擦拭物和類似物的摩損。
不同尺寸和形狀的寶石和金剛石可安裝在相同尺寸的保持器中。通過適當配置，多個寶石可安裝在一個保持器中。
容器可以是任何適當的類型。例如，它可具有靠著接觸表面放置的開口頂部，或者它可具有靠著接觸表面放置的開口底部，或者它可采用環的形式，該環的頂部和底部靠著接觸表面放置，如果需要，另一端由另一構件閉合。在最為廣義的概念中，容器不需要形成保持器的一部分，但可只用來模制保持材料就位，隨后取出，或者形成保持材料和寶石或金剛石從中取出的模具。如果容器不形成保持器的一部分，保持材料必須足夠剛硬。容器或模具上的定位表面限定保持材料上的相應表面，以便定位保持器從而進行例如曝光抗蝕劑的另一工序，從而形成標記，使得容器定位表面間接定位保持器以便進行另一工序。定位表面可以是容器或模具與接觸表面相對的表面。作為選擇，定位表面可以是接觸表面，使得保持材料上的相應表面與將要標記的寶石或金剛石表面共面。在此選擇例中，保持器可定位在用于曝光步驟的臺子或臺板之下，在臺子的下表面上對齊，并且在臺板內設置用于曝光輻射的孔。
本發明的第二方面本發明的第二方面提供如權利要求25所述的方法和如權利要求45所述的保持器。從屬權利要求要求了優選和/或任選的特征。
本發明第三方面的背景通常，上面提到的抗蝕劑在其已經施加時必須烘焙。烘焙的溫度和時間是重要的，這是由于抗蝕劑的所需曝光量取決于抗蝕劑的性質和已經烘焙的程度。如果烘焙不正確，曝光將不正確，例如，烘焙時間必須不太長，以致于抗蝕劑干透。溫度和時間如上所述。
本發明的第三方面的目的在于克服或消除現有技術的至少一個缺陷，或提供與烘焙抗蝕劑相關的有用的選擇。
本發明的第三方面本發明的第三方面提供如權利要求31所述的方法。從屬權利要求要求了優選和/或任選的特征。
使用熱泵可以實現非常準確地控制加熱時間和溫度以及快速加熱和冷卻。
本發明在總體思想在于無論保持器和保持材料的配置如何，或即使寶石或金剛石只卡在保持器上，寶石或金剛石的與將要標記的表面相對的部分可布置成不被保持材料或粘合劑覆蓋，使其自由或暴露，并且使得該部分可以加熱或冷卻以便加熱或冷卻寶石或金剛石。如果使用保持材料，所述部分最好從周圍保持材料伸出。以此方式，寶石或金剛石可例如使用珀爾帖熱泵直接加熱或冷卻，或者使用蒸汽或例如過熱的水或結合物的熱液體加熱。可以使用其他加熱方式，例如通過輻射將要標記的表面，或者用遠紅外線輻射寶石或金剛石的相對側。如果寶石或金剛石由低導熱性的保持材料包圍，或者由空氣包圍，可以獲得快速加熱和冷卻以及準確的溫度控制。本發明的這一方面可很好地控制石印方法。
優選實施例本發明將進一步通過實例并參考附圖進行描述，附圖中

圖1a～1d是表示在第一保持器中設置寶石的方法的示意垂直截面圖；圖2是表示在第二保持器中設置寶石的方法的示意垂直截面圖；圖3是表示第三保持器的垂直截面圖；圖4是通過用于在第三保持器中設置寶石的模制工具的局部截面圖；圖5是表示第四保持器的垂直截面圖；以及圖6是通過珀爾帖裝置的一部分并表示正在加熱或冷卻的第三保持器中的金剛石的垂直截面圖。
圖1a～1d-第一保持器圖1a表示放置在加熱臺板或熱板2上的保持器1。保持器1包括已經通過加熱液化的保持材料3。保持器1由底部4和向內傾斜的側壁5形成，使得保持器1提供上開口。側壁5的頂部是平的并提供參考或定位表面或平面6。底部4的下側可嚴格地平行于參考平面6并位于其下方預定距離處，而且用作定位表面。
在第一保持器中安裝金剛石金剛石7放置在真空吸盤8(真空施加在中央導管9上)的中央，并且通過真空保持就位。吸盤8限定用于保持器1的蓋子，其中平的下表面10用作接觸表面，金剛石7的平的頂切面7a靠置在下表面上。下表面10由向下突出部11包圍，該突出部在吸盤8降低時包圍側壁5。
如果保持材料3是銦，臺板2可加熱到170℃的溫度，高于156℃的銦熔點溫度。
吸盤8降低直到其下表面與保持器1的頂部接觸為止，當參考平面6與表面10(圖1b)接合或重合時。向內傾斜的側壁5降低熔化保持材料漸射到吸盤8的下側上的任何趨勢，使得任何漸射向內指向。快速降低金剛石7可冷凍保持材料3；使得人們使用非常快速的方法，壓入金剛石7，并接著抬起吸盤8。作為選擇，在這種情況沒有出現的工序中，以金屬絲12為形式的另一保持材料可通過開口或通道12引入，直到保持器1完全充滿為止，金屬絲12當其通過接觸保持器1(如果接觸的話)加熱熔化并與已經熔化的保持材料3在一起。在另一可選擇的工序中，使用足夠的保持材料3以便升高到金剛石7的支承邊緣之上，但是在保持材料3的表面和吸盤8下側之間留有間隙。
保持器1接著冷卻以便冷凍保持材料3(如果還沒有冷凍的話)，例如通過降低熱板2的設定溫度，或施加冷卻液體或更冷的固體到保持器1上。所需冷卻的程度不是很大，這是由于保持材料3只要冷卻到其熔點之下而不是室溫。
吸盤8可用來從熱板2上抬起保持器1和金剛石7，以便進一步進行冷卻(圖1c)。接著關閉真空。保持器1形成帶有設置在保持器1內的金剛石7的金剛石夾，其中頂切面7a與吸盤8的下表面10、定位表面或平面6(見圖1d)共面，并且嚴格地平行于底部4的下側。金剛石夾(1)可與吸盤8分開。通過適當選擇吸盤8的材料和保持材料3，金剛石夾(1)在真空不連續時墜落，例如，如果保持材料3是銦或鉍/鉛合金，吸盤8可由鋁合金制成。
通常，保持器1和吸盤8可由鋁或鋁合金、黃銅、不銹鋼或可加工的陶瓷制成。保持器1和吸盤8可以是圓的形狀。
如果保持器1是適合的尺寸，并且設置適合數量的真空導管9，多個金剛石7可安裝在保持器1內。
清理金剛石7現在通過用浸入酒精的藥簽機械清理，或將金剛石7或金剛石夾(1)拉過光學透鏡專用清理織物或類似物清理。作為選擇，金剛石夾(1)可安裝在真空吸盤上并圍繞最好垂直于金剛石7的頂切面7a的軸線轉動。在這種情況下，可以使用溶劑，隨后旋轉干燥，機械清理和任何其他適合的技術。
抗蝕劑涂覆如果通過微刻技術對小面進行蝕刻，金剛石夾(1)可安裝在真空吸盤上并圍繞最好垂直于并通過金剛石7的頂切面7a的軸線轉動。如果多個金剛石7已經設置在金剛石夾(1)內，該軸線應該大致通過金剛石夾(1)的中心線。
施加光致抗蝕劑至少覆蓋金剛石7的頂切面7a。適合的正性抗蝕劑材料是由Shipley Company制造的Microposit 1818，它是酚醛清漆抗蝕劑。帶有金剛石夾(1)和金剛石7的吸盤在通常為4000～8000rpm的高速下轉動長達15～30秒。這造成金剛石頂切面7a大部分上的抗蝕劑膜的厚度為均勻的1～2微米。如果頂表面在金剛石頂切面7a、保持材料2的表面和金剛石夾(1)的側壁5的頂部上連續，將沒有小球或邊緣形成在金剛石頂切面7a上。
預曝光烘焙接著烘焙抗蝕劑。通常的條件是在115℃下進行1分鐘。這可以通過將金剛石夾(1)放置在熱板上完成，最好是使用真空吸盤將其保持緊密接觸。熱量通過預熱板的接觸進入金剛石夾(1)并快速傳遞到金剛石7。作為選擇，通過感應加熱、結合在金剛石夾(1)內的加熱元件、或以例如用遠紅外線輻射來照射頂切面7a的其他適當方式來產生加熱效果。金剛石夾(1)的溫度可以通過安裝在金剛石夾(1)內或與其接觸的熱電偶或類似物測量，并且該測量可控制加熱裝置調節溫度。作為選擇，熱板的溫度可以測量和控制。
在烘焙之后，斷開熱源并且金剛石夾(1)快速冷卻。金剛石7現在準備進行抗蝕劑曝光。
光學曝光金剛石夾(1)放置在適當的微刻設備的水平臺板上以便將抗蝕劑曝光成與將要形成的標記相對應的圖案，例如通過以縮小10倍的比例將掩模投射到金剛石頂切面7a上。曝光圖像的定位、定向和焦距適當調節，金剛石頂切面7a嚴格地保持平行于設備的臺板并嚴格地位于該臺板之上的預定高度處。在可選擇的配置中，金剛石夾(1)可通過壓靠設置有開口的向下形成的對齊表面保持，金剛石頂切面7a通過該開口進行輻射。在此選擇例中，底部4的下側不需要嚴格地平行于參考平面6并位于該平面之下的預定距離處。
可以使用任何適合的輻射以便曝光抗蝕劑。對于Microposit 1818抗蝕劑，350～450nm波長范圍內的電磁輻射是適合的。更短的波長使得圖案分辨率更高。曝光可通過單個波長實現，例如采用在436nm的汞放電燈，或者采用波長帶，例如過濾的鎢/鹵素燈。
后曝光烘焙希望是將抗蝕劑經歷后曝光烘焙。擴散的過程降低抗蝕劑內駐波或干涉條紋的影響。該工序與所述的預曝光烘焙的工序類似。
顯影抗蝕劑的顯影是常規的。所使用的設備與所述的抗蝕劑旋涂器類似。
蝕刻可以例如從Oxford Plasma Technology(UK)或South BayTechnology(USA)得到等離子蝕刻設備。可以使用DC放電蝕刻，但最好使用無線電頻率等離子以避免金剛石充電的問題。活性離子蝕刻是優選的，金剛石安裝在蝕刻器的受驅電極上而不是安裝在地電極上。在一個實例中，金剛石相對于例如100～1000伏的等離子產生負性偏壓電位。來自等離子的高能離子的沖擊可造成碳的未反應金剛石同素異形體轉變成例如石墨的更加活性的形式。可以供應純氧或氧/氬混合物或空氣以便氧化石墨。優選的等離子是75％的氬和25％的氧，盡管作為選擇可以使用純氧蝕刻，隨后是純氬蝕刻以便去除表面上的氧。
松開在蝕刻之后，為了松開金剛石7，金剛石夾(1)放置在熱板上直到保持材料3熔化為止。金剛石7向上浮起并用真空吸盤或鑷子取出。
圖2-第二保持器圖2表示保持器21可以放置在金剛石7之上。參考或定位表面或平面6由保持器21的側壁22的底部限定，該底部具有底部開口。保持器21的頂部的上側可嚴格地平行于定位平面6并位于該定位平面之上的預定距離處。金剛石放置在臺板23上，該臺板具有形成接觸表面的平的上表面10并通過開口24的抽吸作用保持于此。保持器21具有頂部開口25以便供應以金屬絲12為形式的保持材料3。保持器21不需要完全填充。當已經加入足夠的保持材料時，進行冷卻，抽吸停止，并且保持器21抬起離開臺板23，其中金剛石7設置在保持器21內。此配置的優點在于首先覆蓋接觸表面10，并且如此形成的保持材料3是平的，沒有任何波痕。
保持器21可以對于保持器1所進行描述的任何方式定位在微刻設備內。
圖3-第三保持器第三保持器或金剛石夾31具有形成單個側壁的圓環形的金剛石夾環或容器32，其中下切部33具有半個燕尾的形狀。該環具有兩個注射模制澆口34并包括保持材料35，該保持材料固定地保持多面形琢型金剛石7，金剛石具有頂切面7a、底面7b和支承邊緣7c。保持材料35的頂表面與頂切面7a共面，在支承邊緣7c之上和之下(在垂直于頂切面7a的方向上前后觀看)存在保持材料35，使得金剛石7通過保持材料35固定地保持，并且不能相對于保持材料35在垂直于頂切面7a的方向或平行于頂切面7a的方向上運動。金剛石底面7b從周圍的保持材料35伸出。
圖4表示如何形成金剛石夾31。圖4表示具有主體41的注射模制工具。在所示的配置中，主體41具有兩個注射模制或模具空腔42，兩個傾卸空腔43和帶有主體41內適當導管的真空連接件44。每個模具空腔42具有銷子或類似物(未示出)以便在空腔內定位金剛石夾環32，其中一個澆口34與主澆口45連接，并且其他的澆口與傾卸空腔43連接。兩個對中銷46可在主體41內垂直滑動并通過螺旋壓縮彈簧47向上偏置。彈簧47應該提供牢固的小壓力，但足以在模制之后向上推動對中銷46。左側表示對中銷在模制位置，而右側表示對中銷46在受力位置，即高位置。彈簧47由翼形螺釘48保持，螺釘48旋入主體41，并且主體41承載由帽螺釘50保持就位的翼形螺釘止擋49。每個翼形螺釘48的底部載有阻擋排放銷51，該銷向上進入各自對中銷46內的中心孔46a。每個對中銷46具有橫孔52，并在其頂端限定柱形空腔53以便保持插件54。在主體41之上具有可抬起的頂板55，只由左側部分示出，并在其閉合位置。
模制過程如下1.將金剛石夾環32加載到模具空腔42內。
2.在插件54頂部的凹口內定位每個金剛石7的底面，該凹口由插件54內的孔56形成。只出于說明目的，圖4表示左側插件54上的0.25克拉(0.05克)的金剛石7和右側插件54上的2克拉(0.4克)的金剛石7。使用真空將金剛石7保持就位。插件54的頂部凹口將金剛石7對中，如果金剛石是例如多面形琢型并且向上保持頂切面7a。盡管對于不同重量的金剛石可以使用相同尺寸的插件54，可以提供不同尺寸的插件54。另外，如果金剛石是例如具有龍骨的高價琢型，可以提供特殊形狀的插件。如下面說明，多余的保持材料不應該進入孔56，并且允許的最大間隙大約是30微米。
3.頂板55降低。它向下推動金剛石7，壓縮彈簧47并造成金剛石頂切面7a與頂板55的下側固定接合，使得金剛石頂切面7a鄰靠由頂板55的下側提供的接觸表面，并且調平。實際上，金剛石7對中夾緊并夾平。如圖4左側所示，當對中銷46向下推動時，阻擋排放銷51進入中心孔并大大降低通道的尺寸。
4.旋轉翼形螺釘46以便輕輕地將對中銷46鎖定就位，并防止向下推動對中銷46的注射模制的壓力。
5.該工具放入注射模制機器中并且液體彈性保持材料35從主澆口45注入，第一部分直接通過各自金剛石夾環32并進入傾卸空腔43以便傾卸冷卻的最初加料并排出空氣。阻擋排放銷51周圍的受限制的通道使得空氣在金剛石7和插件54之間泄漏，但該間隙足夠小以便防止保持材料35泄漏到真空通道內。但是，孔56和空腔53將由保持材料35填充，使其具有鉚釘頭的形狀。由于澆口34在金剛石夾環32的側部，保持材料35沒有從金剛石夾32的頂部伸出的問題。通常，保持材料是否填充金剛石夾32并不重要，只要金剛石7鎖定就位即可，但該配置是金剛石環32將被填充。
6.該工具從注射模制機器中取出，并且翼形螺釘48退后。
7.頂板55抬起，當彈簧47向上推動對中銷46是，抬起已經固定在金剛石夾環32的金剛石7以便形成金剛石夾31。
8.金剛石夾31抬起離開對中銷46的頂部。如果保持材料35在金剛石7后面泄漏，插件54將與金剛石夾31一起離開，但由保持材料35的“鉚釘頭”截住。“鉚釘頭”接著撕開；保持材料35將在最小截面區域處斷裂，該區域是金剛石底面7b座置在插件54的孔56內的位置。撕開“鉚釘頭”暴露底面7b。如果在底面7b上有任何多余的保持材料35，它們可用鑷子摘掉。
9.多余的保持材料35拉出傾卸空腔43和流道等。
10.插件54重新放置在對中銷46中。
循環時間可以是大約1分鐘(每兩分鐘四個金剛石夾31)，并且不需要預熱。如果保持材料35是Elastron G 1047，可以在180溫度下注射。模制工具和金剛石夾31不到達高于40℃的溫度，因此不影響健康和安全。金剛石7可在0.5mm的范圍內對中。使用非常少的保持材料35，其成本因此降低；同樣，如果適合，它可以回收。
金剛石夾31現在包括金剛石7，其頂切面7a嚴格地平行于金剛石夾環32的上和下表面(端表面)，兩個表面可形成定位表面。通常，希望保持材料35將略微收縮。保持材料35在下切部33(見圖3)下面接合，并且當保持材料35收縮時，由于對稱布置，盡管金剛石頂切面7a將嚴格地保持平行于金剛石夾環32的頂部，該下切部略微向下拉動金剛石7。下切部33將保持材料35鎖定在金剛石夾環32上。
對于保持工具來說可以使用任何適合的材料。但是，在一個實施例中，主體41由工具鋼制成，頂板55由例如聚碳酸酯的透明塑料制成，例如Macrolon(可以看到其內部)，如果由于保持材料35在金剛石夾環32的頂邊緣上蠕動而存在問題，頂板55可以在其下表面上設置橡膠襯底。插件54由乙縮醛和聚甲醛樹脂制成，例如Delrin，其對于對中來說足夠剛硬，并留有小的空氣通道，但將不使得金剛石7破碎。金剛石夾環32本身可由不銹鋼或鋁合金或鋁制成。
圖5-第四保持器第四保持器或金剛石夾36類似于金剛石夾31整個由保持材料35形成，但沒有金剛石夾環32。所示的金剛石夾36已經模制在圖4的工具的注射模制空腔42內，流道隨后去掉。保持材料35是硬聚合物，并且選擇插件54的聚合物和材料使得保持材料35將不粘接在插件54上；以此方式，插件54可抬起離開對中銷46，但將通過滲入孔56的聚合物保持在金剛石夾36中，并可以如上所述分開。模具空腔的頂部和底部限定定位表面，該表面形成金剛石夾36的頂部和底部表面，并間接定位金剛石頂切面7a以便形成標記。因此金剛石夾36的任何頂表面和底表面可用作定位表面。
圖6對于所述的“預曝光烘焙”以及對于“后曝光烘焙”，可以使用珀耳帖裝置或熱泵(熱電冷卻器)，兩者可用來加熱金剛石7并將其冷卻。
圖6表示其一部分的珀耳帖裝置是標準的熱泵，其具有帶有加熱器尖端63的珀耳帖單元62。尖端63形成有包括液體結合物65小滴的空腔64。尖端夾66成形為容納可以落下的金剛石夾31(或36)(圖6表示其略微抬起)，使得結合物65濕潤金剛石7的底面7b。以此方式，加熱金剛石7，加熱頂切面7a上的抗蝕劑以便烘焙抗蝕劑(未示出)。在適當烘焙時間之后，珀耳帖熱泵61進行轉換，并且金剛石7快速冷卻。結合物65設置在大約70℃下，盡管它不濕潤金剛石7，但始終提供良好的熱接觸。隨后，金剛石夾31(或36)可僅僅抬起，不需要進行清理。
使用珀耳帖裝置出色地控制了烘焙循環。可以有3～4秒的快速加熱時間和12～15秒的快速冷卻時間，并且在110℃下烘焙一分鐘。保持材料35可進行選擇使其不被加熱損壞。由于保持材料35可以是絕熱元件，金剛石夾環32保持冷卻并可以處理，并避免多余的熱損失。
金剛石夾31或36接著如所述處理，從“清理”到“蝕刻”。對于金剛石夾31情況下的“松開”來說，金剛石7僅通過使用適當的非金屬工具在底面7b上按壓，從而推出金剛石夾31。保持材料35的其余部分可從金剛石夾環32上撕開，并且金剛石夾環32回收。在金剛石夾36的情況下，如果保持材料35太硬而不能使得金剛石推出，可以切去保持材料35。
除非文中清楚需要其他說明，在整個說明書和權利要求中，與排他或用盡的含義相反，詞匯“包括”、“包括有”和類似措辭應理解為范圍廣的包括；也就是說，是“包括但不局限于”的含義。
整個說明書中對于現有技術的描述絕不理解為是如下認同，即這種現有技術被廣泛公知或形成本領域公知常識的一部分。
本發明純粹通過實例進行描述，并且可以在延伸到所述特征的等同概念上的本發明的精神內進行變型。
權利要求
1.一種安裝寶石或工業金剛石以便在其表面上形成標記的方法，其包括將該寶石或金剛石放置在容器內，將所述表面與接觸表面接合，并圍繞該寶石或金剛石模制保持材料，方法是以如下方式在該容器的一個或多個側壁和該寶石或金剛石之間填充液體保持材料，使得至少將要標記的表面保持自由，該寶石或金剛石不接觸該容器的側壁，并且在垂直于將要標記的表面的方向上觀看，該保持材料位于該寶石或金剛石的前和后部分，使得設置保持材料時，該寶石或金剛石通過該保持材料固定保持，并造成或使得保持材料固定，該容器限定與將要標記的表面平行或重合的定位表面，該定位表面可直接或間接使用以便將帶有將要標記的寶石或金剛石總體定位在預定平面內，從而進行形成所述標記的另一工序。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，圍繞該寶石或金剛石的連續環狀保持材料將該容器的一個或多個側壁與該寶石或金剛石分開。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該容器具有開口，其邊界限定所述定位表面，在模制該保持材料之前該開口的邊界與所述接觸表面接合，并且在模制之后該開口的邊界與所述接觸表面脫開，因此將該寶石或金剛石設置在容器內，其中將要標記與所述定位表面共面。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，該容器的開口位于最上邊，并且該寶石或工業金剛石降低到該容器內。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，該容器由底部和一個或多個在向上方向上向內傾卸的壁限定。
6.如權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述接觸表面具有向下的突出部，該突出部定位成使其在與開口的邊界接合時圍繞所述開口的邊界。
7.如權利要求4～6任一項所述的方法，其特征在于，在相對降低該寶石或工業金剛石到容器內之前，該容器至少部分填充保持材料。
8.如權利要求4～7任一項所述的方法，其特征在于，在接觸表面上有至少一開口，以便當接觸表面與該開口的邊界接合時將保持材料供應到容器內。
9.如權利要求4～8任一項所述的方法，其特征在于，在容器內放置該寶石或金剛石之后，將另外的保持材料供應到容器內。
10.如權利要求4～9任一項所述的方法，其特征在于，該容器大致填充液體保持材料，使得該保持材料與所述接觸表面接合。
11.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，該容器具有限定所述定位表面的底部開口，將要標記的表面放置在所述接觸表面上，該容器放置在所述接觸表面上的寶石或金剛石之上，以便將寶石或金剛石放置在該容器內，并且液體保持材料供應到該容器。
12.如上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，該寶石或工業金剛石通過抽吸壓靠所述接觸表面來進行保持。
13.如權利要求1～11所述的方法，其特征在于，該寶石或金剛石放置在具有容納寶石或金剛石的與將要標記的表面相對的一側的凹口的構件，并且該帶有凹口的構件抬起以便將所述寶石或金剛石壓靠所述接觸表面保持，該接觸表面形成該容器的頂部。
14.如上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，該容器包括環形構件，該構件設置一個或多個側壁，在模制期間設置至少一分開的底部構件，并在模制之后去除，使得該寶石或金剛石保持在由該環形構件圍繞的保持材料中。
15.如權利要求1～4、13和14任一項所述的方法，其特征在于，該保持材料通過注射模制插入。
16.如上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，該容器的一個或多個側壁是下切的。
17.如權利要求1～14任一項所述的方法，其特征在于，該保持材料是銦。
18.如上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，該保持材料是聚合物。
19.如權利要求1～16所述的方法，其特征在于，該保持材料是彈性物或彈性體。
20.如權利要求1～16所述的方法，其特征在于，該保持材料是柔軟的。
21.如權利要求19或20所述的方法，其特征在于，在該標記已經形成在該寶石或金剛石的表面上時，通過在垂直于將要標記的表面的方向上推出，將該寶石或金剛石從保持材料中取出。
22.如上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，將要標記的表面是寶石的頂切面。
23.如上述權利要求任一項所述的方法，其特征在于，該寶石或金剛石的與將要標記的表面相對的部分不被保持材料覆蓋，使得所述部分可加熱或冷卻以便加熱或冷卻該寶石或金剛石。
24.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述部分從周圍的保持材料伸出。
25.一種安裝寶石或工業金剛石以便在其表面上形成標記的方法，其包括以如下方式圍繞該寶石或金剛石放置柔性或彈性的保持材料，使得至少將要標記的表面保持自由，并且在垂直于將要標記的表面的方向上觀看，該保持材料位于該寶石或金剛石的前和后部分，使得該寶石或金剛石通過該保持材料保持。
26.如權利要求25所述的方法并與權利要求1～4、13～15和21～24任一項所述的方法相結合。
27.一種在寶石或工業金剛石的表面上形成標記的方法，其包括按照上述權利要求任一項的方法制備該寶石或金剛石，并直接或間接使用所述定位表面定位該寶石或金剛石，使得所述寶石或金剛石的表面與參考曝光平面平行并大致與其共面。
28.如權利要求27所述的方法，其特征在于，包括旋涂施加表面層到將要標記的表面上。
29.如權利要求28所述的方法，其特征在于，該表面層是光刻抗蝕劑。
30.如權利要求29所述的方法，其特征在于，該光刻抗蝕劑在施加之后進行烘焙。
31.一種安裝和制備寶石或工業金剛石以便在其表面上形成標記的方法，其包括將該寶石或金剛石固定在保持器上，使得將要標記的表面可以接近，并且該寶石或金剛石的與將要標記的表面相對的部分可以接近，在將要標記的表面上施加抗蝕劑，并通過將所述部分熱連接到熱泵上烘焙抗蝕劑。
32.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述部分伸出，并且其中該熱泵具有限定容座的加熱器，液體金屬包含在該容座內，并且所述部分放置在液體金屬內以便將該寶石或金剛石熱連接到熱泵上。
33.如權利要求31或32所述的方法，其特征在于，該熱泵是熱電冷卻器。
34.如權利要求31～33任一項所述的方法，其特征在于，所述部分隨后通過該熱泵冷卻，以便冷卻該寶石或金剛石。
35.如權利要求31～34任一項所述的方法并與權利要求1～30任一項所述的方法相結合。
36.如權利要求29～35任一項所述的方法，其特征在于，在輻射抗蝕劑以便曝光該部分之后，通過施加顯影液體顯影圖像，同時旋轉該寶石或金剛石。
37.一種安裝寶石或工業金剛石以便在其上形成標記的方法，其包括如同參考附圖的圖1a～1d或圖2或圖3和4和圖5在這里描述的那樣設置該寶石或工業金剛石。
38.一種在寶石或工業金剛石的小面上形成標記的方法，大致參考附圖的圖1a～1d或圖2或圖3和4和圖5在這里進行描述。
39.如權利要求27所述的方法，并大致參考附圖的圖6在這里進行描述。
40.一種通過權利要求1～26任一項所述的方法安裝的寶石或工業金剛石。
41.一種保持寶石或金剛石以便在其表面上形成標記的保持器，該寶石或金剛石由該寶石或金剛石周圍的保持材料保持，該保持材料使得將要標記的表面自由，并且在垂直于將要標記的表面的方向上觀看，保持材料位于該寶石或金剛石的前和后部，使得該寶石或金剛石通過該保持材料固定保持，該保持器限定與將要標記的表面重合或平行的定位表面，該定位表面可用來在預定平面內定位帶有將要標記的表面的寶石或金剛石，以便進行形成所述標記的另一工序。
42.如權利要求41所述的保持器，其特征在于，該保持材料包含在剛性環內，環的一個或多個端面限定所述定位表面。
43.如權利要求41或42所述的保持器，其特征在于，該保持材料是彈性物或如下聚合物。
44.如權利要求41～43任一項所述的保持器，其特征在于，該保持材料已經注射模制。
45.一種保持寶石或金剛石以便在其表面上形成標記的保持器，該寶石或金剛石由該寶石或金剛石周圍的彈性或柔性保持材料保持，該保持材料使得將要標記的表面自由，并且在垂直于將要標記的表面的方向上觀看，保持材料位于該寶石或金剛石的前和后部，使得該寶石或金剛石通過該保持材料固定保持。
46.如權利要求45所述的保持器，其特征在于，該保持材料已經注射模制。
47.一種通過權利要求27～30和39任一項所述的方法制備的寶石或工業金剛石。
48.一種通過權利要求27～30和39任一項所述的方法在其上形成標記的寶石或工業金剛石。
全文摘要
為了在金剛石夾(31)內安裝金剛石(7)，使得金剛石頂切面(7a)水平并位于預定高度，金剛石(7)定位在注射模制工具中，使得金剛石通過插件(54)向上推動。彈性體(35)注射模制在金剛石夾環(32)內并將金剛石(7)固定保持在金剛石夾環(32)內，其中彈性體(35)位于金剛石(7)的支承邊緣(7c)的前后部。盡管出現彈性體(35)收縮，金剛石的頂切面(7a)設置成嚴格地平行于金剛石夾環(32)的上下表面，頂切面(7a)僅略微低于金剛石夾環(32)的頂部限定的平面。以此方式，在金剛石頂切面(7a)施加光致抗蝕劑之后，金剛石夾(31)可放置在設備的臺板上以便通過微刻形成標記。為了烘焙抗蝕劑，金剛石夾(31)放置在具有包括結合物小滴的空腔(64)的珀爾帖熱泵的加熱器尖端(63)之上，為了快速加熱金剛石(7)，控制烘焙期間的時間和溫度，并快速冷卻金剛石(7)。
文檔編號C04B41/91GK1535212SQ02808314
公開日2004年10月6日 申請日期2002年2月18日 優先權日2001年2月16日
發明者M·R·威利斯, M·J·克勞德, K·B·蓋伊, J·G·C·史密斯, C 史密斯, M R 威利斯, 克勞德, 蓋伊 申請人:杰桑企業