KR102067202B1 - 재료 마킹 방법 및 재료 마킹 시스템, 및 이러한 마킹 방법에 따라 마킹된 재료 - Google Patents

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Abstract

고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 형성하는 방법으로, 고체 상태 재료의 상부면 재료가 돌출하도록 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면을 향해 집속된 불활성 가스 이온빔을 국소적으로 조사하는 단계를 포함하며, 상기 집속된 불활성 가스 이온빔에서 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 고체 상태 재료의 상기 연마된 각면의 외면을 침투하고, 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 외면 아래의 고체 상태 재료의 고체 상태 결정 격자 내에서 일정 압력으로 팽창 변형을 야기하여, 상기 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 상에 돌출부를 형성하는 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법이 개시되어 있다.

Description

재료 마킹 방법 및 재료 마킹 시스템, 및 이러한 마킹 방법에 따라 마킹된 재료{METHOD OF MARKING MATERIAL AND SYSTEM THEREFORE, AND MATERIAL MARKED ACCORDING TO SAME METHOD}
본 발명은 고체 상태 재료 위에 마킹을 제공하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 원석(gemstone) 등과 같이 고체 상태 재료의 표면에 마킹을 제공하되 마킹이 시각적으로 보이지 않도록 하는 것과 관련된 것이다.
고체 재료 특히 고가의 원석 등에 제품 증명 혹은 품질 마크를 하기 위해 마킹이 요구될 수 있다. 원석에 마킹을 할 때에는, 원석이 손상되지 않거나 행여 손상되더라도 손상이 최소로 되어야 하며, 원석의 무결성이 유지되고, 질량 손상이 많이 발생하지 않아야 하며, 화학적 잔류물이 없어야 하며, 원석의 선명도나 색상을 손상시키지 않는 방식으로 이루어질 것이 요망된다.
장식용 원석의 경우, 미적 관점에서 마킹이 육안으로 보여지면 원석의 가치가 떨어지기 때문에, 마킹 기술은 육안에 보여지지 않도록 하여 원석의 품질이 손상되지 않도록 하여야 한다.
종래에 에칭, 각인 및 마이크로-밀링 공정의 기법이 있다. 이들 공정은 원석의 무결성과 품질에 영향을 줄 수 있으며, 바람직하지 않게 시각적으로 보여질 수 있다. 게다가, 이러한 공정들은 어느 정도 재료가 손실되게 되며, 또한 시각적으로 보여질 수 있다.
US 특허 US6,391,215B1호에 개시되어 있는 것과 같은 종래 기술에는 다이아몬드 혹은 탄화규소의 연마된 각면(facet)에 정보 마킹을 하고, 원석이 전도성 층으로 코팅되는 마킹 기법이 개시되어 있다. 전도성 층은 원석이 대전(charged)되는 것을 방지하며, 집속된 이온빔에 의해 마크가 형성되어, 표면의 일부가 소정의 깊이로 삭마되고, 이어서 강력 산화제에 의해 마크가 형성된 표면이 세척된다.
이에 따라, 본 발명은 고체 상태 재료에 마킹을 제공하는 방법과, 위에 마킹이 있는 고체 상태 재료를 제공하여, 종래 기술과 연관되어 있는 결점들 중 적어도 일부를 해소하거나 적어도 부분적으로 개선시키는 것을 일 목적으로 한다.
제1 측면에서, 본 발명은 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면(outer surface) 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 형성하는 방법으로,
(ⅰ) 고체 상태 재료의 상부면 재료가 돌출하도록 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면을 향해 집속된 불활성 가스 이온빔을 국소적으로 조사하는 단계를 포함하며,
상기 집속된 불활성 가스 이온빔에서 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 고체 상태 재료의 상기 연마된 각면의 외면을 침투하고,
조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 외면 아래의 고체 상태 재료의 고체 상태 결정 격자 내에서 일정 압력으로 팽창 변형을 야기하여, 상기 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 상에 돌출부를 형성하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법을 제공한다.
바람직하기로는, 집속된 불활성 가스 이온빔의 빔 에너지가 5keV 내지 50keV 범위에 속하고, 프로브 전류가 1fA 내지 200pA 범위에 속한다.
고체 상태 결정격자가 단결정, 다결정 혹은 비정질 형태이고, 고체 상태 재료는 주위 온도 및 대기압 내지 고진공 사이의 압력 하에서 고체 상태 형태로 존재한다.
바람직하기로는, 고체 상태 재료가 귀석(貴石, precious stone)이다. 보다 바람직하기로는, 고체 상태 재료가 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥 등을 포함하는 그룹에서 선택되는 재료이다.
집속된 불활성 가스 이온빔은 주기율표에서 Ⅷ 그룹에 속하는 불활성 가스 중에서 선택되는 이온 공급원이다.
바람직하기로는, 고체 상태 재료의 연마된 각면의 평균 표면 거칠기가 50nm 미만이다.
바람직하기로는, 상기 돌출부의 평균 폭이 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이고, 평균 높이가 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이다.
고체 상태 재료의 외면에서 상기 외면 아래에서 조사되는 불활성 가스가 축적되는 영역까지의 거리는 1nm 내지 100㎛ 범위이다.
돌출부는 상기 하나 혹은 그 이상의 돌출부가 식별 가능한 마크 혹은 패턴을 형성하도록 제공되고, 식별 가능한 마크는 단일 도트 혹은 도트 어레이, 필라, 돔, 반구형, 라인, 불규칙 형태, 대칭 혹은 비대칭 형태 등의 형태이다.
식별 가능한 마크가 주기적인 라인 어레이, 홀/도트 어레이, 원형 어레이, 나선형 어레이, 프랙탈 어레이 혹은 다중 주기 어레이 등으로 제공될 수 있다.
또는, 식별 가능한 마크가 임의의 패턴을 형성하는 연속적인 돌출된 형태로 제공될 수 있다.
광학적 한계로 레일레이 기준(Rayleigh Criterion)으로 육안으로 보이지 않는 정보 마크를 제공하도록, 복수의 돌출부가 나노미터 크기로 형성될 수 있다. 돌출부가 특정 조명 상태에서 그리고 가시 및 비가시 광 영역의 현미경이 장착된 카메라에 의해 볼 수 있는 주기적인 어레이로 제공될 수 있다. 하나 혹은 그 이상의 돌출부가 식별 가능한 보안 마크를 형성한다.
바람직하기로는, 본 방법은 상기 고체 상태 재료의 무결정(integrity)이 보전되고, 실질적으로 질량이 손실되지 않도록 한다.
제2 측면에서, 본 발명은, 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 위에 다음의 방법으로 형성되는 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 구비하는 고체 상태 재료에 있어서, 돌출부 형성 방법은,
(ⅰ) 고체 상태 재료의 상부면 재료가 돌출하도록 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면을 향해 집속된 불활성 가스 이온빔을 국소적으로 조사하는 단계를 포함하며,
상기 집속된 불활성 가스 이온빔에서 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 고체 상태 재료의 상기 연마된 각면의 외면을 침투하고,
조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 외면 아래의 고체 상태 재료의 고체 상태 결정 격자 내에서 일정 압력으로 팽창 변형을 야기하여, 상기 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 상에 돌출부가 형성되는 고체 상태 재료를 제공한다.
바람직하기로는, 집속된 불활성 가스 이온빔의 빔 에너지가 5keV 내지 50keV 범위에 속하고, 프로브 전류가 1fA 내지 200pA 범위에 속한다.
고체 상태 결정격자는 단결정, 다결정 혹은 비정질 형태일 수 있다. 고체 상태 재료는 주위 온도 및 대기압 내지 고진공 사이의 압력 하에서 고체 상태 형태의 재료이다.
바람직하기로는, 고체 상태 재료는 고가의 석재이고, 더욱 바람직하기로는 고체 상태 재료가 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥 등을 포함하는 그룹에서 선택되는 재료이다.
하나 혹은 그 이상의 돌출부를 형성하는 데에 사용되는 집속된 불활성 가스 이온빔은 주기율표에서 Ⅷ 그룹에 속하는 불활성 가스 중에서 선택될 수 있는 이온 공급원이다.
바람직하기로는, 고체 상태 재료의 연마된 각면의 평균 표면 거칠기는 50nm 미만이다.
바람직하기로는, 돌출부의 평균 폭이 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이고, 평균 높이가 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이다.
바람직하기로는, 상기 고체 상태 재료의 외면에서 상기 외면 아래에서 조사되는 불활성 가스가 축적되는 영역까지의 거리가 1nm 내지 100㎛ 범위이다.
바람직하기로는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부는 식별 가능한 마크 혹은 패턴을 형성하도록 제공된다. 식별 가능한 마크는 단일 도트 혹은 도트 어레이, 필라, 돔, 반구형, 라인, 불규칙 형태, 대칭 혹은 비대칭 형태 등의 형태일 수 있다.
또는, 식별 가능한 마크가 주기적인 라인 어레이, 홀/도트 어레이, 원형 어레이, 나선형 어레이, 프랙탈 어레이 혹은 다중 주기 어레이 등으로 제공될 수 있다.
또는, 광학적 한계로 레일레이 기준으로 육안으로 보이지 않는 정보 마크를 제공하도록, 복수의 돌출부가 나노미터 크기로 형성될 수 있다. 돌출부들이 특정 조명 상태에서 그리고 가시 및 비가시 광 영역의 카메라가 장착된 현미경에 의해 볼 수 있는 주기적인 어레이로 제공될 수 있다.
하나 혹은 그 이상의 돌출부가 식별 가능한 보안 마크를 형성할 수 있다.
하나 혹은 그 이상의 돌출부가 형성되는 중에, 실질적으로 질량이 손실되지 않도록 고체 상태 재료의 무결정(integrity)이 보전된다.
제3 측면에서, 본 발명은, 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 형성하기 위한 시스템으로, 상기 시스템은,
고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면을 향해 집속된 불활성 가스 이온빔을 국소적으로 조사하는 집속된 불활성 가스 이온빔 장치;
고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면을 향해 집속된 불활성 가스 이온빔이 국소적으로 조사되는 배출을 제어하는 컴퓨터 제어 장치를 포함하고,
상기 컴퓨터 제어 장치는, 상기 집속된 불활성 가스 이온빔에서 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 고체 상태 재료의 상기 연마된 각면의 외면을 침투하고, 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 외면 아래의 고체 상태 재료의 고체 상태 결정 격자 내에서 일정 압력으로 팽창 변형을 야기하여, 상기 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 상에 돌출부를 형성하는 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 시스템을 제공한다.
바람직하기로는, 집속된 불활성 가스 이온빔의 빔 에너지가 5keV 내지 50keV 범위에 속하고, 프로브 전류가 1fA 내지 200pA 범위에 속한다.
하나 혹은 그 이상의 돌출부를 형성하는 데에 사용되는 집속된 불활성 가스 이온빔은 주기율표에서 Ⅷ 그룹에 속하는 불활성 가스 중에서 선택되는 이온 공급원일 수 있다.
본 시스템은, 평균 폭이 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이고, 평균 높이가 나노미터 혹은 마이크로미터 단위인 돌출부를 제공한다.
바람직하기로는, 본 시스템은, 상기 고체 상태 재료의 외면에서 상기 외면 아래에서 조사되는 불활성 가스가 축적되는 영역까지의 거리가 1nm 내지 100㎛ 범위인 돌출부를 제공하기에 적합하다.
본 시스템은, 고체 상태 재료의 연마된 각면 위의 외면 위에 식별 가능한 마크 혹은 패턴을 제공하기에 적합하다. 시스템에 의해 제공되는 식별 가능한 마크가 단일 도트 혹은 도트 어레이, 필라, 돔, 반구형, 라인, 불규칙 형태, 대칭 혹은 비대칭 형태 등의 형태일 수 있다.
또는, 식별 가능한 마크가 주기적인 라인 어레이, 홀/도트 어레이, 원형 어레이, 나선형 어레이, 프랙탈 어레이 혹은 다중 주기 어레이 등일 수 있다. 식별 가능한 마크가 임의의 패턴을 형성하는 연속적인 돌출된 형태로 제공될 수 있다.
바람직하기로는, 본 시스템이, 광학적 한계로 레일레이 기준으로 육안으로 보이지 않는 정보 마크를 제공하도록, 복수의 돌출부가 나노미터 크기로 형성되도록 하기에 적합하다.
본 시스템은, 하나 혹은 그 이상의 돌출부가 특정 조명 상태에서 그리고 가시 및 비가시 광 영역의 현미경이 장착된 카메라에 의해 볼 수 있는 주기적인 어레이로 제공하기에 적합하다.
본 시스템은, 식별 가능한 보안 마크를 형성하는 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 제공하기에 적합하다.
본 시스템은, 하나 혹은 그 이상의 돌출부가 형성되는 중에, 실질적으로 질량이 손실되지 않도록 상기 고체 상태 재료의 무결정(integrity)이 보전하기에 적합하다.
바람직하기로는, 본 시스템이, 고가의 석재의 외면 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 제공하기에 적합하다. 더욱 바람직하기로는, 본 시스템이, 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥 등의 외면 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 제공하기에 적합하다.
본 시스템은, 고체 상태 재료의 연마된 각면 위에 평균 표면 거칠기가 50nm 미만인 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 제공하기에 적합하다.
바람직하기로는, 본 시스템이, 고체 상태 재료의 외면 위에 평균 폭이 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이고, 평균 높이가 나노미터 혹은 마이크로미터 단위인 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 제공하기에 적합하다.
바람직하기로는, 본 시스템은, 고체 상태 재료의 외면에서 상기 외면 아래에서 조사되는 불활성 가스가 축적되는 영역까지의 거리가 1nm 내지 100㎛ 범위가 되도록, 고체 상태 재료의 외면 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 제공하기에 적합하다.
이하에서, 실시예로서 본 발명의 바람직한 실시형태들을 첨부된 도면들을 참고하면서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태들에 사용되는 집속된 불활성 가스 이온빔 시스템의 예시적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시형태들에 따른, 고체 상태 재료 시편의 상부면 영역에서 시편과 집속되어 입사되는 고에너지 불활성 가스 이온과의 반응을 컴퓨터 시뮬레이션한 것을 예시적으로 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태들에 따른, 고체 상태 시편과 주입사 고에너지 불활성 가스 이온과의 반응을 예시적으로 개략적으로 나타내는 도면으로, 입사 이온의 이동 경로를 따라 전자들과 이온들 같은 하전 입자의 발생을 보여주고 있다.
도 4는 본 발명의 실시형태들에 따른, 실험적으로 돌출된 나노미터 크기의 도트 어레이의 이온현미경 이미지를 묘사하고 있다.
도 5는 본 발명의 실시형태들에 따른, 실험적으로 돌출된 나노미터 크기의 도트 어레이의 다른 이온현미경 이미지를 묘사하고 있다.
도 6은 본 발명의 실시형태들에 따른, 실험적으로 돌출된 나노미터 크기의 도트 어레이의 또 다른 이온현미경 이미지를 묘사하고 있다.
도 7a는 처리되지 않은 평면의 표면 프로파일을 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 실시형태들에 따라 돌출된 표면의 프로파일을 개략적으로 보여주는 그래프이다.
도 8은 도 4, 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 기재되어 있는 바와 같은 실험 결과와 관련하여, 평면상의 돌출된 표면 프로파일의 3차원 윤곽을 비례 치수로 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 실시형태들에 따라 단결정 다이아몬드 각면 위에 집속된 불활성 가스 이온빔을 입사하여 가공할 프로그램된 도트 어레이를 보여주는 미처리 표면의 이온현미경 이미지를 보여주는 도면이다.
도 9b는 본 발명의 실시형태들에 따라 다이아몬드 시편 표면 위에 지정된 위치에 집속된 불활성 가스 이온빔이 입사된 후에, 도 9a의 단결정 다이아몬드 각면 표면의 이온현미경 이미지를 보여주는 도면이다.
도 1을 참고하면, 도 1에는 본 발명의 마킹 방법의 실시형태들에 사용되는, 집속된 불활성 가스 이온빔 시스템(100)의 예시적 구성이 개략적으로 도시되어 있다.
통상적인 주사전자현미경(SEM)과 비교해 보면, 집속 불활성 가스 이온빔 시스템(100)은 통상적인 주사전자현미경과 기본 구성은 유사하다. 이에 따라, 도 1의 개략적인 도면은 본 발명에 따라 돌출된 나노미터 크기의 도트 어레이를 형성하고 촬상하는 집속 불활성 가스 이온빔 시스템(100)을 도시하고 있다.
정전식 렌즈 칼럼(102)의 상부에 위치하는 가스 공급원(101)은 주기율표의 8족에 속하는 어떠한 불활성 가스 공급원일 수 있으며, 사용되는 불활성 가스 공급원의 선택은 요구되는 해상도와 제작 시간에 따라 달라질 수 있다. 또한, 마킹 대상 시편의 전기적, 광학적 혹은 화학적 물성이 변질되는 것을 최소화하기 위해 불활성 가스가 사용되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 도 4, 도 5 및 도 6을 참고하여 아래에 도시되어 있으며 논의되어 있는 돌출된 나노미터 크기의 도트를 제작하는 경우, 집속 불활성 가스 이온빔 시스템(100)의 가스 공급원(101)으로는 헬륨 혹은 네온 같이 원자 질량이 가벼운 저압의 불활성 가스가 바람직하다.
가스 공급원(101)에서 불활성 가스 이온이 방출되면, 해당 이온이 정전식 렌즈 칼럼(102) 상부를 따라 가속 및 집속되고, 컴퓨터 시스템, 통상적으로 메인프레임 검퓨터 제어 시스템 등에 의해 제어되는 스캐닝 디플렉터(103, 104)에 의해 굴절되어, 최종적으로 주사 집속 불활성 가스 이온빔(105)을 형성하여 시편(109) 표면에 입사된다.
집속 불활성 가스 이온빔(105)이 시편(109) 표면상에 주사 혹은 연속적으로 입사하는 중에, 전자 플루드 건 혹은 전하 보상장치(compensator) 같은 방출 장치(106, 107)로부터 방출된 전자들 혹은 음전하들이 시편(109) 표면상에 연속적으로 입사되는 가스 이온에 의한 시편(109) 표면이 양으로 대전되는 것을 보상한다.
대전된 이온들이 집속 불활성 가스 이온(105)이 추가로 입사되는 것을 억제하기 때문에, 이로 인해 필요한 돌출형 마크가 이미지 버 되거나 위치 혹은 형상이 이동(drift)된다.
시편(109) 표면 위로 집속 불활성 가스 이온빔(105)이 입사하는 중에, 입사하는 불활성 가스 이온과 시편(109) 표면이 반응하여, 촬상하고 종의 종류를 정하고 계량화하는 이온 혹은 전자 디텍터(111)에 의해 검출되는 전자 혹은 이온 같이 대전된 종(charged species)(110)이 발생된다.
도 2를 참고하면, 도 2에는 본 발명의 실시형태들에 따른, 고체 상태 재료 시편(203)의 상부면 영역(202)에서 시편과 집속되어 입사되는 고에너지의 불활성 가스 이온과의 반응을 컴퓨터 시뮬레이션한 것을 예시적으로 개략적으로 보여주는 도면이다. 컴퓨터 시뮬레이션된 몬테카를로(Monte Carlo) 플롯은, 고체 상태 재료 시편(203)의 상부 표면 영역(202)과 입사되는 고에너지의 집속 불활성 가스 이온빔(201)이 반응하는 중에 입사 이온(204)들의 궤적을 보여주고 있다.
반응의 몬테 카를로 시뮬레이션은 30keV로 가속되는, 입사되는 고에너지의 집속 불활성 가스 이온빔(201)의 공급원으로서 헬륨을 사용하고, 고체 상태 재료 시편(203)은 실리콘 기판을 사용에 근거한 것이다.
고체 상태 재료 시편(203)의 반응 체적의 단면이 입사 이온의 침투 깊이(205) 및 상기 침투 깊이(205)와 직교하는 분산 폭(206)으로 정의되어 있으며, 침투 깊이(205) 및 분산 폭(206)의 몬테카를로 시뮬레이션된 수치 결과는 약 100nm이다.
또한, 헬륨 가스 이온의 실리콘 기판에의 침투 깊이가 깊고 측방향 퍼짐이 작기 때문에, 소정의 나노미터 크기의 구조물 혹은 마크를 형성하는 본 발명의 실시형태의 필요조건 기준을 충족시키기 위해서는, 10nm 범위의 상부 표면 영역(202)에서 집속 이온빔 스폿(207)의 크기가 1nm 이하이어야 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시형태들에 따라 사용되는 입사되는 고에너지 불활성 가스 이온(301)과 고체 상태 재료(305)의 상세한 반응이 개략적으로 도시되어 있다.
본 발명의 실시형태들의 목적을 설명하기 위해, 실험 환경은 예컨대 압력이 5×10-6 Torr 이하의 고진공이고, 경로(302)를 따라 입사하는 고에너지 불활성 가스 이온(301)은 진공과 고체 상태 시편(305) 사이의 표면 혹은 계면(304)에 입사각(303)으로 입사되는 것으로 가정하였다.
고에너지(energetic)의 불활성 가스 이온(301)이 시편 표면 혹은 계면(304)에 입사할 때, 고체 상태 시편(305)으로부터 2차 전자, 오이거 전자, X-선, 2차 이온, 스퍼터링된 입자들 같은 에너지화 종(energetic species)(306)이 생성되거나, 고에너지 불활성 가스 이온(301)이 후방 산란될 수 있다.
상기 발생가능한 에너지화 종의 상태는 고에너지 불활성 가스 이온(301)의 원자량과 보유 에너지, 고체 상태 시편(305)의 밀도와 결정도(crystallinity), 원자들 간의 화학적 결합, 및 시편 표면 혹은 계면(304)의 전하 상태에 따라 달라질 수 있다.
고에너지 불활성 가스 이온(301)이 충분한 에너지를 보유하고 있다면, 상기 에너지화 종들이 고체 상태 시편(305) 내로 진입하여 계속해서 침투할 확률이 크다.
전파 경로(309, 312)를 따라, 고에너지 불활성 가스 이온(301)이 고체 상태 시편(305) 내의 이웃 원자들과 비탄성 충돌할 가능성이 있으며, 이에 따라 2차 이온 혹은 2차 전자 같은 에너지화 종(311)이 발생할 가능성이 있으며, 이들 에너지화 종이 경로(310)를 따라 시편 표면 혹은 계면(304) 밖으로 나올 가능성이 있다.
또 다른 가능성으로는, 국소 영역(308, 313)에서 결정의 무정질화 혹은 불활성 가스 이온의 축적에 따라 에너지가 손실되어, 고체 상태 시편(305) 안쪽에 묘사한 바와 같이, 상기 발생 가능한 에너지화 종들이 어느 국소 영역 예컨대 영역(308, 313)에 정지될 수도 있다.
고에너지 불활성 가스 이온(301)의 입사각(303) 상태, 가속 전압, 및 고에너지 불활성 가스 이온(301)의 종 선택을 적절하게 조절함으로써, 입사되는 고에너지 불활성 가스 이온(301)이 영역(308)에서 정지되어 불활성 가스 이온이 축적되거나 혹은 결정 구조의 밀도보다는 작지만 체적은 큰 국소 영역에서 결정이 무정질화 되거나, 혹은 불활성 가스 이온의 축적과 결정의 무정질화가 같이 이루어질 확률이 높아지게 될 수 있다.
이에 따라, 시편 표면 혹은 계면(304)의 바로 아래의 고체 상태 시편(305) 내에 국소적으로 내부 스트레인이 쌓이고, 이것이 시편 표면 혹은 계면(304)에서 고체 상태 결정의 격자가 팽창하도록 하여, 본 발명의 실시형태들에 따라 돌출형 도트(307)가 형성되게 된다.
도 4에 도시되어 있는 이온현미경 이미지를 참고하면, 도 4에는 집속 불활성 가스 이온빔 시스템에 의해 단결정 다이아몬드 각면(402) 상에 실험적으로 형성된 나노미터 크기의 돌출형 도트 어레이(401)가 도시되어 있다.
사용된 가스 이온의 가속 전압은 약 35kV이고, 사용된 빔 전류는 이온 주입량이 약 0.1nC/㎛2인 약 0.5pA이며, 체류 시간은 약 1us이다. 본 발명의 범위에 속하면서 다른 가속 전압 및 빔 전류가 사용될 수도 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 통상의 기술자라면 본 발명의 실시형태들에, 빔 에너지가 5keV 내지 50keV이고, 프로브 전류가 1fA 내지 200pA인 집속 불활성 가스 이온빔을 사용하는 집속 불활성 가스 이온빔 장치가 적용될 수 있으며, 5keV 내지 50keV의 빔 에너지와 1fA 내지 200pA의 프로브 전류를 벗어나는 범위의 파라미터를 발생시킬 수 있는 장치도 적용될 수 있음이 이해될 것이다.
도 1에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 집속 불활성 가스 이온빔의 입사 위치가 컴퓨터로 프로그래밍되고, 주사 렌즈 칼럼(103, 104)에 의해 제어된다. 도 4에 도시되어 있는 결과와 같이, 각각의 직경이 약 130nm인 나노 크기의 돌출형 도트(401)들이 3×3의 나노 크기의 돌출형 도트 어레이를 형성하고 있다. 다이아몬드 각면(402)의 평면에서 도트들은 수직방향 간격(403)을 이루고, 수평방향 간격(405)을 이룬다. 이웃하는 나노 크기의 돌출형 도트(401)들 중심 간의 변위는 약 200nm로 동일하다.
도시되어 있는 본 실시예에서의 이미지 전체의 시야는, 배율이 57,150×이고, 수직 및 가로 방향은 2.00㎛ × 2.00㎛이다. 본 실시예에서 나노 크기의 돌출형 도트(401)를 제조한 후에 가스 이온의 가속 전압은 주사 모드에서와 동일하지만, 빔 전류는 낮은 집속 불활성 가스 이온빔 시스템으로 촬상하였다.
나노 크기의 돌출형 도트(401)의 크기의 기준으로 스케일 바(404)를 도시하였다.
도 4와 유사하게, 도 5는 집속 불활성 가스 이온빔 시스템으로 단결정 다이아몬드 각면(502) 위에 제작된 나노 크기의 돌출형 도트(501) 어레이의 예시적 실시형태를 도시하고 있다. 도 4에 비해 본 실시예에서, 나노 크기의 돌출형 도트(501)의 직경은 80nm로 줄어 있고, 수직방향 간격(503)과 수평방향 간격(505)는 400nm로 커져 있다.
불활성 가스 이온의 주입량을 0.05nC/㎛2 미만으로 줄이고, 빔 전류를 0.5pA 미만으로 줄임으로써, 나노 크기의 돌출형 도트(501)의 직경이 감소되었다.
도 5의 이미지의 상태는 도 4에서의 경우와 같고, 참고를 위해 스케일 바(504)를 표기하였다.
다른 예시적 실시형태로, 불활성 가스 이온 주입량을 예컨대 0.03nC/㎛2 이하로 추가로 줄이고, 빔 전류를 0.4pA 이하로 추가로 줄이면, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 단결정 다이아몬드 각면(602) 상에 제작되는 나노 크기의 돌출형 도트(601)의 직경이 50nm로 감소된다.
나노 크기의 돌출형 도트(601) 어레이의 수직방향 간격(603)과 수평방향 간격(605)은 도 5에서의 경우와 동일하다. 기준 및 비교를 위한 동일한 스케일 바(604)를 구비하고 있다.
통상의 기술자라면 충분히 이해할 수 있는 바와 같이, 도 4, 도 5 및 도 6을 참고로 하여 기재한 예시적 실시형태들은, 입사 가스 이온의 주입량과 프로브 전류 이에 따라 입사 가스 이온의 빔 크기를 적절하게 조절함으로써, 나노 크기의 돌출형 도트 직경을 도 4에 도시한 바와 같이 200nm에서 도 6에 도시한 바와 같이 50nm로 상당히 작게 제어할 수 있다는 점을 보여주고 있다.
또한, 나노 크기의 돌출형 도트 어레이의 수직 및 수평방향 간격이 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 200nm에서 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 400nm로 변화하는 것은, 집속 불활성 가스 이온빔이, 단일 도트 혹은 도트 어레이, 필라(pillar), 돔(dome), 반구형, 라인, 불규칙 형상, 대칭 혹은 비대칭 형상, 또는 주기적인 라인 배열, 홀/도트 어레이, 원형 어레이, 나선형 어레이, 프랙탈(fracta) 어레이 또는 다중 간격 어레이의 임의의 형태의 돌출형 마크로 나노 크기의 돌출형 도트를 시편 표면 위에서 임의의 위치에 제조하는 데에 사용될 수 있는 능력과 효험이 있다는 것을 의미한다.
도 7a 및 도 7b를 참조하여, 나노 크기의 돌출형 도트의 기하학적 형상(geometry)을 설명한다. 도시되어 있는 개략적인 그래프는 미처리된 평면 시편 표면(702)의 면 프로파일과 나노 크기의 도트가 형성된 돌출면(703) 간의 단면을 보여주고 있다.
Z-방향 축(701)을 기준으로, 도 7a의 미처리 평면(702)의 높이가 Z=0인 반면, 도 7b의 돌출면(703)은 Z-방향의 양의 부호를 향해 변형되어서, 미처리 평면(702)보다 프로파일의 높이가 높게 되어 있다.
또한, 돌출면(703) 혹은 미처리 평면(702) 보다 높은 쪽의 공간이 Z-방향 축의 양의 부호에서 공기/진공에 노출되어 있는 반면, Z-방향의 음의 부분에서의 시편의 깊이는 유한 혹은 반-유한적일 수 있다.
돌출면(703)의 높이(705)는 Z=0에서부터 돌출면(703)의 변위까지로 정의되고, 돌출면(703) 혹은 도트의 폭 혹은 직경(704)은 Z=0 바로 위에서 돌출면(703)의 면 프로파일 내의 가장 낮은 두 지점 사이의 최대 변위로 정의된다.
도 8을 참고하면, 도 8에는, 집속 불활성 가스 이온빔에 의해 평탄면(802) 위에 제작된 돌출 마크(801)의 형태를 설명하고, 잘 이해할 수 있도록 하기 위해, 돌출 마크(801) 프로파일의 개략적인 3차원 윤곽 다이어그램의 일예가 도시되어 있다.
돌출 마크의 높이는 도 7b를 참고하여 설명하고 논의한 높이(705)에 대한 정의와 동일하며, 돌출 마크(801)는 축(803)을 기준으로 평탄면(802)에서부터 연장한다. 돌출 마크의 폭 및 깊이는 도 7a 및 도 7b를 참고하여 설명하고 논의한 폭 또는 직경(704)에 대한 정의와 동일하며, 축(804)과 축(805)을 기준으로 각각 연장하고 있다.
도 4 , 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 나노 크기의 돌출형 도트에 관한 도 8에 도시되어 있는 실시예에서, 모든 축(803, 804, 805)의 치수 단위는 나노미터이다.
도 9a 및 도 9b에 도시되어 있는 이온현미경 이미지들을 참고하면, 본 발명의 예시적 실시형태들이 도시되어 있으며, 단결정 다이아몬드 각면(902, 906) 위에 백색 도트(901)로 도시되어 있는 지점에 고에너지의 불활성 가스 이온이 입사하여 프로그램된 어레이(903)로 사전에 정하여 설계된 나노 미터 크기의 연속된 패턴 혹은 마크(905)를 제작하는 실현 가능성이 구현되어 있다. 이웃하는 백색 도트(901)들 중심들 간의 거리는 스케일 바(904)를 기준으로 약 120nm이다.
각각의 나노 미터 크기의 돌출된 도트의 직경이 적어도 120nm가 되도록 하기 위해, 입사되는 고에너지 불활성 가스 이온들의 주입량과 전류를 제어함으로써, 이산된 도트들을 형성하는 대신에 도 9b에 도시되어 있는 바와 같이, 스케일 바(908)를 기준으로 크기가 약 800nm × 800nm의 연속된 돌출 라인(905)과 2차원의 돌출된 패턴 혹은 마크(907)를 각면(906) 위에 형성시킬 수 있다.
통상의 기술자라면, 본 발명이, 적용 분야에서 요구하는 바에 따라 다양한 적용 분야에서 본 발명의 방법론과 공정을 사용하는 많은 다른 그리고 대안의 실시형태들을 제공함으로써, 사전에 정해진 방식으로 고체 상태 재료에 마킹을 제공할 수 있다는 점을 이해할 것이다.
본 발명은 고체 상태 재료에 마킹을 하는 시스템 및 방법과, 이들 시스템 및 방법에 의해 마킹된 고체 상태 재료 바람직하기로는 마킹된 귀석을 제공하며, 이렇게 제공되는 마킹은 다음의 이점들을 구비한다.
(ⅰ) 마킹은 눈에 보이지 않으며, 이러한 마킹에 대한 관찰(viewing)과 감정(identification)과 관련된 특수한 파라미터에 대한 지식이 없으면 쉽게 보이지 않을 수 있다.
(ⅱ) 귀석 혹은 원석에 마킹이 새겨진 경우, 마킹은 트래킹과 진품 구매뿐만 아니라 보안과 관련하여 인식표(identification)로 기능할 수 있도록 하여, 귀석 산업에서 혜택과 이점을 제공한다.
(ⅲ) 도난 등의 부적절한 상황이 발생한 경우, 고체 상태 재료에 새겨진 마킹으로 식별될 수 있는 보안 목적을 위한 마킹을 할 수 있다.
(ⅳ) 부식, 삭마, 밀링, 조각 등과 같이 파괴적이며 침습성 방법과 관련된 단점이 없으면서, 고체 상태 재료에 마킹을 할 수 있다.
(ⅴ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 마킹이 적용되는 고체 상태 재료의 질량 혹은 중량을 상당히 감소시키지 않거나 재료를 제거하지 않는다.
(ⅵ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 고체 상태 재료의 광학적 특성을 변경시키지 않고, 선명도(clarity)와 색상에 크게 영향을 주지 않는다.
(ⅶ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 불활성 가스를 사용하며, 고체 상태 재료에 오염물이나 불순물을 도입하지 않는다.
(ⅷ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 고체 상태 재료의 후처리를 필요로 하지 않게 한다.
(ⅸ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 고체 상태 재료의 표면에서 재료를 상당히 제거하지 않아도 된다.
(ⅹ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 마킹을 하기 전에 고체 상태 재료의 코팅을 사전 처리하지 않아도 된다.
(ⅹⅰ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 화학적 잔류물을 남기지 않는다.
(ⅹⅱ) 마킹을 제공하는 방법 및 이러한 방법에 의한 제품은 후처리를 할 필요가 없게 하며, 화학적 그리고 플라즈마 세척 등과 같은 복잡한 후처리 기술을 사용하지 않아도 되게 한다.
집속 불활성 가스 이온빔을 국소적으로 조사하여 결정 아래의 비정질화나 불활성 가스가 축적되는 힘에 의해 고체 상태 재료의 상부 표면 바로 아래의 결정 격자가 팽창하여 고체 상태 재료의 상부 표면이 돌출하여 패턴 혹은 마크를 형성하도록 하는 마킹 방법을 제공하는 본 발명은, 고체 상태 재료를 파괴하고 침습하며 삭마시키는 것과 관련된 부식, 조각, 밀링 또는 상부 표면 재료의 제거법 같은 종래 기술에 비해 상당한 이점들을 제공한다.
통상의 기술자라면 예시적으로 기재되어 있는 실시형태들과 이들의 실시예 외에 다른 분야에서 구현될 수 있는 고체 상태 재료에 대한 방법론 및 이러한 마킹 기법과 관련된 이점들을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예들 혹은 바람직한 실시형태들을 참고로 하여 본 발명을 설명하였지만, 이들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이지 본 발명을 한정하기 위한 것이 아님을 이해할 것이다. 본 발명의 균등의 범위 내에서 본 발명에 대한 변형 및 변조가 이루어질 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 자명하다.

Claims (54)

  1. (ⅰ) 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면을 향해 집속된 불활성 가스 이온빔을 국소적으로 조사하는 단계를 포함하는, 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 위에 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법에 있어서,
    상기 방법은 외면 위에 돌출부를 형성하되,
    상기 집속된 불활성 가스 이온빔에서 조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 고체 상태 재료의 상기 연마된 각면의 외면을 침투하고,
    조사되는 집속된 불활성 가스 이온들이 상기 외면 아래의 고체 상태 재료의 고체 상태 결정 격자 내에서 일정 압력으로 팽창 변형을 야기하여, 상기 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 위에 상기 돌출부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집속된 불활성 가스 이온빔의 빔 에너지가 5keV 내지 50keV 범위에 속하고, 프로브 전류가 1fA 내지 200pA 범위에 속하는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고체 상태 결정 격자가 단결정, 다결정 혹은 비정질 형태인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고체 상태 재료가 주위 온도 및 대기압 내지 5 x 10-6 Torr 이하의 진공 사이의 압력 하에서 고체 상태 형태의 재료인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고체 상태 재료가 다이아몬드, 루비, 사파이어, 에메랄드, 진주, 옥을 포함하는 그룹에서 선택되는 귀석인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집속된 불활성 가스 이온빔이 주기율표에서 Ⅷ 그룹에 속하는 불활성 가스 중에서 선택되는 이온 공급원인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고체 상태 재료의 연마된 각면의 평균 표면 거칠기가 50nm 미만인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 평균 폭이 나노미터 혹은 마이크로미터 단위이고, 평균 높이가 나노미터 혹은 마이크로미터 단위인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고체 상태 재료의 외면에서 상기 외면 아래에서 조사되는 불활성 가스가 축적되는 영역까지의 거리가 1nm 내지 100㎛ 범위인 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 혹은 그 이상의 돌출부가 식별 가능한 마크 혹은 패턴을 형성하도록 제공되는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 식별 가능한 마크가 단일 도트 혹은 도트 어레이, 필라, 돔, 반구형, 라인, 불규칙 형상, 대칭 혹은 비대칭 형상의 형태이고, 상기 식별 가능한 마크가 주기적인 라인 어레이, 홀/도트 어레이, 원형 어레이, 나선형 어레이, 프랙탈 어레이 혹은 다중 주기 어레이로 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 식별 가능한 마크가 임의의 패턴을 형성하는 연속적인 돌출된 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    광학적 한계로 레일레이 기준으로 육안으로 보이지 않는 정보 마크를 제공하도록, 복수의 돌출부가 나노미터 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 돌출부가 특정 조명 상태에서 그리고 가시 및 비가시 광 영역의 현미경이 장착된 카메라에 의해 볼 수 있는 주기적인 어레이로 제공되는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 하나 혹은 그 이상의 돌출부가 식별 가능한 보안 마크를 형성하는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 고체 상태 재료의 무결정(integrity)이 보전되고, 실질적으로 질량이 손실되지 않는 것을 특징으로 하는, 하나 혹은 그 이상의 돌출부 형성 방법.
  17. 고체 상태 재료의 연마된 각면의 외면 위에 형성된 하나 혹은 그 이상의 돌출부를 구비하는 고체 상태 재료에 있어서, 돌출부들은 상기 외면 아래에서 팽창된 고체 상태 결정 격자 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 재료.
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