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イオンビーム微細加工による秘匿的情報記録技術の開発と新奇情報記録媒体の探索

群馬大学大学院理工学府電子情報部門

助教 加田 渉

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発表概要

• 研究背景技術の要点、従来技術比較、着想に至る展開

• 手法PBWによる情報記録の原理実証装置

• 実施例 3 例

• 想定用途

• 国内外動向

• 実用化に向けた課題

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発表技術の要点

例)ダイヤモンド等宝飾品等では品質保証のためにレーザー刻印技術が鑑定書とともに流通

GIAにおける刻印の例

既存手法（レーザー加工機他認証技術 ）

刻印・情報記録に透明材料が必要（材料選択性小）

刻印・情報記録により表面構造が変質

等の問題があり刻印対象が限定。

(https://www.gia.edu/JP/gem-lab-service/diamond-

grading-report-service, accessed 30/11/2017)

提案手法・荷電粒子の特性により任意深度に多層の記録層形成・原子サイズの加工により、一般不可視な刻印: 秘匿性・加工対象に広い選択性、鉱石・宝石認証から量子技術まで応用

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微細加工技術としてのイオンビーム

図：計算コードSRIMによる加工深さの計算例

図： イオンビームを用いる微細加工技術PBW技術と他の微細加工技術の比較例

引用元 http://plus.shibaura-it.ac.jp/sbmc/seeds-06/

元図 Frank Watt, et al., Materials Today, Volume 10 (6), (2007),pp. 20-29.

他の微細加工に比べ、• 高アスペクト比• 任意深さへの限定加工• 原理的に対象の制限小

な加工が可能

イオンビーム微細加工技術＝Proton Beam Writing （PBW）技術

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従来のイオンビーム微細加工技術

T. Kamiya et. al., Applied Radiation and Isotopes 67, 3 (2009) 488-491.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969804308003436

(b) (c) (d)

(a) Photograph of PDMS film with embedded MZ waveguide

200

Core

Propagating direction 200 μmPropagating direction

Junction part

Core

μm

(c) (d)

200

Straight line

Propagating direction μm

(b)

図： PBW微細加工で形成された高分子薄膜中のフレキシブル光回路の例

レジスト・高分子材料の表面微細加工が主体加工対象・機能性付与は限定的

イオンビーム微細加工技術＝Proton Beam Writing （PBW）技術

図： PBW微細加工で形成された高分子表面の構造例

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Ph

oto

n C

ou

nt

of

IBIL

fro

m I

rrad

iate

d A

rea o

f P

BW

[cp

s]

Total dose of PBW process [pC/μm2]

0.01 0.1 1.0 10

102

105

104

103y = 1390x-1.053

Probe: 3MeV H+

100

101

図. ビーム照射量に対する加工状態の変化

光学的変化（２０１１年）

炭化（従来技術）

0.5 pC/μm2

0.8 pC/μm2

10 pC/μm2

透過像

照射試料:

Element Six社製検出器用単結晶ダイヤモンド2.6×2.6×0.3mm

W. Kada, et al., Japanese Journal of Applied Physics, 51, 06FB07_01-05 (2012)

当時の未達成範囲

着想に至る展開PBWをダイヤモンドへの微細加工に初めて応用（2011年）

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より高エネルギーの重イオン照射により、形成された照射欠陥が窒素－空孔中心を形成することが明らかとなった（2015年）。

S. Onoda, ~, W. Kada et al, Physica Status Solidi (A), 212(2015)

着想に至る展開

Photo

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IBIL

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Irr

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BW

[cps]

Total dose of PBW process [pC/μm2]

0.01 0.1 1.0 10

102

105

104

103y = 1390x-1.053

Probe: 3MeV H+

100

101

光学的変化（２０１１年）

炭化（従来技術）

ここより低い線量領域を検討

新規着目範囲

照射量制御により、目的の領域に原子サイズの蛍光中心を形成可能。

このような荷電粒子照射のパターンに意味を持たせることで、

情報記録に応用できるのではないか？

W. Kada, et al., Japanese Journal of Applied Physics,

51, 06FB07_01-05 (2012)

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着想に至る展開

PBW微細加工を試料への秘匿情報埋込を可能に→認証や情報記録へ応用

ワイドバンドギャップ半導体への機能性付与へ応用

イオンビーム・荷電粒子がもたらす高いエネルギー付与・高い走査性

材料改質により微細加工が利用可能なことは既知

鉱業資源・工業機器の認証技術に技術ニーズ

本技術

分析技術高度化によりPBW微細加工時のその場分析が実現

照射量の微量制御が可能に

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PBWによる情報記録の原理実証装置

target

多様なターゲットの設置・大規模な記録構造の形成を可能とする試料ステージ

任意形状の形成を可能とするビーム走査

低い線量付与を可能とする電流制御

従来のレジスト・高分子材料微細加工技術からの高度化

イオンビーム微細加工 （PBW）装置

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PBWによる情報記録の原理実証装置

多様なターゲットの設置・大規模な記録構造の読み取りを可能とする試料ステージ

試料から放出される信号読み取りに最適化された検出器・センサ

特定波長の情報読み出しを可能とする励起光源など

形成記録情報を読み取る観察装置：2次元画像読み出しカメラの他、計測対象に最適な外部刺激を与えることのできる装置

イオンビーム微細加工 （PBW）の記録読み取り装置

構成１例

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実施例 1: 特定条件下でのみ確認できる情報の記録例

a)光学像(UV照射なし) b)光学像(UV照射有り)

形成記録情報をリン酸塩ガラス系材料で確認：2次元構造が紫外線外部刺激下で可視化

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3 MeV or 1. 7 MeVH+ microbeam

(1 μm dia.) , 20 pA or 4 pA

Scanning area: 800 x 800 μm2

@TARRI/ QST

1記録構造-数分程度全記録を３０分前後で形成

４０記録 ３０分として現状の大型加速器利用のコスト

１３時間で１０００個前後の造型が可能

＝ １加工コスト１０００円前後

実施例 1: 微細加工の現状コスト

→電流量増大（減少）により

他材料も同等のコストから加工可能

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実施例 1: 微細加工の積層化記録構造は深さ方向に

焦点を有する

＝荷電粒子エネルギーの調整により

3次元的情報記録が可能T. Kurobori, W. Kada, et al., Jpn. J. Appl. Phys., 57, p.02CC01, (2018).

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実施例 2: ダイヤモンドへの微細加工ダイヤモンド内部2次元コードの例

CVDダイアモンド薄膜500μm厚 2mm x 2mm

【図】ダイヤモンド材料対する秘匿情報記録の読取実施例左側：ダイヤモンドの通常観察例 右側：特定波長により２次元記録を読み取った例

図. 群馬大学HPに相当するQRコード

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実施例 2: ダイヤモンドへの微細加工

【図】ダイヤモンドに対する秘匿情報記録実施例

Figs. Concealment two dimensional matrix code into diamond. (left-top) Optical image, (left-

bottom) corresponding input, and (center) Mosaic image of CFM observation, (right) cross section

μm

FWHM 4μm

荷電粒子集束径１μm▶ 空間精度として ４μm 程度で描画可能

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実施例 2: ダイヤモンドへの微細加工

【図】A. Einsteinの格言『Learn from yesterday, live

for today hope for tomorrow,

The important thing is not to stop questioning 』のダイヤモンド中への記録例

文字情報の記録による単純情報記録も容易

同様に１加工コスト１０００円前後

→従来単純に身につけられた宝飾品へ特定のメッセージなどの付加価値も可能？

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実施例 3: 鉱物試料(蛍石)への応用

図. 群馬大学HPに相当するQRコード

蛍石全体像(各辺～30mm) 光学検出マーキング検出例

均一な人工物のみでなく鉱物試料のような多様な不純物が

想定されるような天然材料に対しても同様の記録形成は可能

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想定される用途• 本技術の特徴を生かすことで、高温環境等に晒される製品への認証情報記録付与に適用することで記録保持期間の長期化が図れる。

• 上記以外に、現在注目が集まるワイドバンドギャップ半導体内部への蛍光中心形成技術としても将来的な有用性が期待される。超長期情報記録媒体への応用など。

• また、達成された天然鉱物への記録に着目すると、天然鉱物資源、具体的にはエシカルジュエリーのトレーサビリティといった分野・用途に展開が可能と思われる。

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国内外動向

メーカー 開発状況

米国 US2003/0235136A1（December,11,2003） 単結晶酸化アルミニウムに限定した記録書き込み技術

イギリス エシカルジュエリーの本場、宝石、貴金属、宝飾品のトレーサビリティについて世界で最も進んだシステムを持つ。関連するビーム技術に関しては特段の試行者がない。

日本国内特開2007-81692(2005年9月13日)

取得された画像情報に秘匿情報を埋め込むものであり、本発明と内容が異なる。

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実用化に向けた課題

• 情報記録の応用： 蛍石等のスモールスケールマイニングのトレーサービリティ等へ応用するための技術評価(feasibility study)を検討中。

• 加工装置の汎用性が乏しい問題。技術汎用化には、小型装置プロトタイプの開発の必要あり。

今後、小型書き込み装置について、共同研究先機関所有の知的財産（特許第4665117号）等を活用し設計して行っていく。

現状の可能性: ・テーブルトップ程度の装置まで小型化、低価格化・より安価な線源とマスクを利用した微細加工技術

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企業への期待

• 高温環境など既存刻印技術の利用が困難な技術ニーズを持つ、企業との共同研究を希望。

• また、小型装置を利用して刻印技術を展開可能な企業との連携を希望。

• このほか希少材料や材料トレーサビリティ分野のマーケットを保有する・参画予定企業において本技術が有用となる可能性がある。

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新技術の特徴まとめ

• 荷電粒子がもたらす非熱平衡過程反応により任意の絶縁材料の局所領域に情報記録を形成する技術。

• レーザーや走査プローブを用いた従来技術より記録媒体選択性が向上。

• 荷電粒子が誘発する構造変化を小さくとどめることで情報記録領域は通常不可視。特定の外部刺激でのみ、情報読出が可能 。

• 基板材料に依存するが、長期寿命記録への応用も期待

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：マーキング方法、マーキング装置、およびマーキングされた物品

• 出願番号 ：特願2017-036566

• 出願人 ：群馬大学、産業技術総合研究所

• 発明者 ：加田 渉（代表発明者）、

須田 義規、花泉 修、春山 盛善、三浦 健太[群馬大学]

村尾 智[産業技術総合研究所]

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お問い合わせ先

群馬大学 産学連携・知的財産活用センター

〒376-8515 群馬県桐生市天神町1-5-1

TEL ０２７７－３０－１１７１～１１７５

FAX ０２７７－３０－１１７８

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