独立行政法人産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】（以下「産総研」という）電力エネルギー研究部門【部門長 大和田野 芳郎】クラスタープロセス連携研究体【研究体長 岩田 康嗣】は、粒径2-3nmのシリコンクラスター粒子同士が碁盤目状の規則正しい配列秩序を自発的に形成する過程を世界で初めて確認し、ナノスケールで立体的秩序を構築する技術に道を拓いた。この発見は産総研 エレクトロニクス研究部門【部門長 伊藤 順司】機能集積システムグループ【研究グループ長 金丸 正剛】、同研究部門 デバイス評価計測グループ【研究グループ長 岡山 重夫】、東京大学大学院【総長 佐々木 毅】、大阪電気通信大学【学長 元場 俊雄】との共同研究の一環として行われた。ナノブロック単位で立体的秩序構造を形成し、ナノスケールで意のままの機能性材料を構築することは正にナノテクノロジーの真髄である。しかし従来、サイズの揃ったナノブロックを生成する技術が無かった為に、立体的秩序の構築は夢として語られてきた。これに対して、岩田等は気相中の衝撃波を利用してクラスター成長を制御する新しい原理で、初めてサイズの揃ったシリコンクラスタービームを開発した。今回発見された自発的なナノ構造秩序の形成は、規定されたシリコンクラスタービームの生成に拠る。ナノ構造秩序は下地構造の影響を受け難いアモルファス炭素膜上に形成されたものであり、シリコンクラスター粒子同士で自発的に秩序を形成したことになる。このことはシリコンクラスター粒子が平面方向のみならず、立体的にも秩序構造を形成することが示唆される。従って、クラスタービームによる薄膜生成の制御性を高めることにより、安定なナノブロックを単位とした立体的秩序構造が現実的となった。クラスタービーム技術は単色エネルギーエミッター、超高密度磁気記録、次世代ディスプレー、極薄高容量キャパシターなど次世代機能性材料開発に幅広く利用される基礎技術である。今回の発見により、クラスタービーム技術がこうした次世代機能性材料開発の実用化に道を拓くこととなった。
産総研における今回の研究成果を基にして、日立造船株式会社【代表取締役社長 重藤 毅直】技術研究所【所長 井上 輝?】（以下「日立造船」という）は産総研、琉球大学【学長 森田 孟進】、東京農工大学【学長 宮田 清藏】と共同で、クラスター粒子を単位としたナノ構造秩序を持つ薄膜生成システムの製品モデル１号機を製作した。
今後産業分野に広く横断的な利用が見込める次世代機能性材料の実用化を目指して、クラスタービームによりナノブロックを単位とした立体的秩序の構築技術の研究開発を進める。クラスターナノ構造薄膜生成プロセスシステムの製品モデル機についても、ニーズに合わせた性能仕様の向上を目指す。
○ナノブロック単位で立体的秩序構造を形成し、ナノスケールで意のままの機能性材料を構築することは正にナノテクノロジーの真髄である。
クラスタービームによるナノ構造秩序形成では、蒸着下地材料の表面に着地する前にクラスター粒子自身は安定な結晶構造を持つ。クラスター粒子は着地後表面を拡散し、安定なナノブロック単位として秩序構造を形成する【図１を参照のこと】。従来の分子線エピタキシーなどは平面方向にナノ構造秩序を形成する手法である。これに対しクラスタービームを利用したナノブロック単位で形成される秩序構造は平面方向にも立体的にも拡がる傾向を持つ。ナノブロック単位で立体的秩序構造を形成し、ナノスケールで意のままの機能性材料を構築することは正にナノテクノロジーの真髄である。
一方、クラスタービームはクラスターサイズなどの内部構造を持つ粒子ビームである。ナノ構造秩序形成には内部構造の揃ったクラスタービームが必要になる。しかし従来、内部構造を揃えてクラスタービームを生成することは極めて困難であった。またクラスタービームの粒子サイズを弁別するとビーム強度が極めて小さくなり、産業分野における実用的成膜には不適当であった。従って、ナノスケールの立体的秩序構造の構築は夢として語られてきた。
○気相中の衝撃波を利用した新しい原理のクラスター源の開発により、今回シリコンクラスター粒子同士が規則秩序をもって自発的に配列する過程を世界で初めて確認した。
これまでに産総研クラスタープロセス連携研究体は日立造船、東京大学、甲子園金属株式会社との共同研究で、気相中の衝撃波を利用した新しい原理のクラスター源(SCCS)を開発してきた【図３、詳細は「補足資料Ａ」を参照のこと】。SCCSによってクラスターの成長条件を規定し、サイズの揃ったシリコンクラスタービームの生成に成功している【詳細は「補足資料Ｂ」を参照のこと】。今回発見された自発的なナノ構造秩序形成は、規定されたシリコンクラスタービームの生成に拠る。SCCSで生成したサイズの揃ったシリコンクラスタービームを真空中でアモルファス炭素薄膜に蒸着した。薄膜表面上で、粒径2-3nmのシリコン粒子が蒸着密度の上昇に従って規則性を増して配列する過程を走査型透過電子顕微鏡で確認した【図２を参照のこと】。クラスター粒子で薄膜表面が単層被覆された状態では、結晶固体の原子配列と同様な碁盤目格子構造などの規則正しい配列秩序を自発的に形成する過程が確認された。
○今回の発見は、立体的秩序構造の形成が現実レベルになったことを意味し、単色エネルギーエミッター、超高密度磁気記録、次世代ディスプレー、極薄高容量キャパシターなどの材料開発に道を拓く。
今回確認されたナノ構造秩序は下地構造の影響を受け難いアモルファス炭素膜上に形成されたものであり、世界で初めてシリコンクラスター粒子同士が自発的に秩序を形成することを実証した。このことはシリコンクラスター粒子が平面方向のみならず、立体的にも自発的に秩序構造を形成することが可能であることを意味する。従って、クラスタービームによる薄膜生成の制御性を高めることにより、安定なナノブロックを単位とした立体的秩序構造が現実的となった。これによってナノ構造秩序形成のバリエーションは格段に拡がることになる。クラスタービーム技術は電子線の単色エネルギーエミッター、超高密度磁気記録、次世代ディスプレー、極薄高容量キャパシターなど次世代機能性材料開発に幅広く利用される基礎技術である。今回の発見により、クラスタービーム技術がこうした次世代機能性材料の実用化に道を拓くこととなった。
○低コスト、短時間でナノ構造成膜可能な製品モデル一号機を製作した。
産総研における今回の研究成果を基にして、日立造船は、産総研、琉球大学、東京農工大学と共同で、クラスタービームによるナノ構造薄膜生成プロセスシステムの製品モデル一号機を製作した【図３を参照のこと】。本製品モデル機では、基板上5mm径の領域にシリコンクラスター粒子を１分間で単層被覆する蒸着速度の成膜を可能にした。
今後産業分野に広く横断的な利用が見込める次世代機能性材料の実用化を目指して、シリコンクラスター粒子を始めナノ磁性粒子などクラスター粒子を単位とした立体的秩序の構築技術の研究開発を進める。クラスタービームによるナノ構造薄膜生成プロセスシステムの製品モデル機についても、成膜速度、クラスター粒子種などニーズに合わせた性能仕様の向上を目指す。
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図1 クラスタービーム技術の材料開発における利点
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図2 シリコンクラスタービームによるナノ構造秩序の形成に成功
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図3 ナノ構造薄膜生成システムの製品モデル1号機
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ナノ構造秩序を形成する技術として、分子線エピタキシーなどにより原子を結晶基板表面の結晶格子に沿って配列する技術がこれまで注目されてきた。しかし、形成されるナノ構造秩序は結晶格子に沿って平面方向に広がり、立体的にナノ構造秩序を構築することが困難であった。また原子が結晶格子に沿って配列するために、形成されるナノ構造秩序は結晶基板表面の清浄度や平坦性の影響を大きく受ける欠点があった。
クラスタービームによるナノ構造秩序形成では、基板表面に着地する前にクラスター自身が安定な結晶構造を持つ。クラスター粒子は着地後基板表面を拡散し、クラスター粒子をナノブロック単位としてナノ構造秩序を形成する。従って、形成されるナノ構造秩序は平面方向にも立体的にも広がる傾向を持ち、ナノ構造秩序形成のバリエーションが格段に広がることになる。また、安定なクラスター粒子の配列では、結晶基板表面の清浄度や平坦性の影響が比較的少ない。更に二元成分以上の化合物クラスター粒子が容易に生成できることから、二元成分系以上のナノ構造秩序を形成することも可能であるなど、優れた特徴を持つ。
クラスタービームはクラスターサイズなどの内部構造を持つ粒子ビームであり、ナノ構造秩序形成には内部構造を規定したクラスタービームの生成が必要になる。しかし従来のクラスタービームの生成手法により、クラスター粒子の内部構造を制御することは極めて困難であった。クラスタービームを生成後、粒子サイズを弁別するとビーム強度は低下し、産業分野における実用的成膜には不適当であった。ナノ構造秩序の形成には高い精度のビーム制御が要求され、従ってクラスタービームをその成膜プロセスに利用することは難しいとされてきた。
これまでに産総研クラスタープロセス連携研究体では、日立造船、東京大学、甲子園金属株式会社【代表取締役社長 中島 琥一郎】との共同研究で、クラスタービームの粒子サイズがクラスターの成長過程における気相密度や温度条件で決まることに着目し、気相中の衝撃波を利用して、クラスターの成長条件を規定できるクラスター源(SCCS)を開発してきた【詳細は「補足資料Ａ」を参照のこと】。これによって、サイズの揃ったシリコンクラスタービームの生成に成功してきた【詳細は「補足資料Ｂ」を参照のこと】。
SCCSで生成したサイズの揃ったシリコンクラスタービームを真空中でアモルファス炭素膜に蒸着し、クラスター粒子によるナノ構造秩序の形成を実証した。アモルファス炭素薄膜の基板上で、粒径2-3nmのシリコン粒子が蒸着密度の上昇に従って規則性を増して配列する過程を走査型透過電子顕微鏡で確認した。クラスター粒子で基板表面が単層被覆された状態では、結晶固体の原子配列と同様な碁盤目格子構造などの規則正しい配列秩序を自発的に形成する過程が確認された。
一般にアモルファス炭素薄膜の表面は化学的に不活性であり、結晶格子構造を持たず原子が無秩序に配列したアモルファス構造を示す。従ってシリコンクラスター粒子と基板との相互作用は比較的小さい。またクラスター粒子が基板表面の原子配列に従って秩序構造を形成するわけではない。今回、アモルファス炭素薄膜上で自発的に秩序構造が形成されたことは、シリコンクラスター粒子間の相互作用によってクラスター同士が自発的に秩序構造を形成した可能性が高い。そこでシリコンクラスター粒子間に作用する力と粒子間距離との関係を調べた結果、クラスター同士が互いに接近すると粒子間の相互作用によって粒子の配置が決まることが判明した。すなわち基板表面を単層被覆するような粒子が接近した状態では、シリコンクラスター間相互作用によって自発的に秩序構造を形成することを裏付けている。これによって、安定なシリコンクラスター粒子をナノブロック単位としてナノ構造秩序形成を立体的に構築するプロセスが現実的となった。ナノ構造秩序が立体的に構築されることにより、機能性材料としてのバリエーションは格段に拡がる。クラスタービームを利用したナノ構造秩序材料プロセスに道を拓く成果である。
なお、日立造船は、産総研、琉球大学、東京農工大学と共同で、本技術を利用して、ナノ粒子を単位としたナノ構造秩序を持つ薄膜生成プロセスシステムの製品モデル１号機を製作した。今回、ナノ構造秩序形成の実証で使用したクラスタービーム成膜装置は、基板上2mm径の領域に、シリコンクラスター粒子を１時間で単層被覆する蒸着速度であった。実用化に際しては生産性の高い短時間での成膜能力が求められるため、製品モデル一号機ではクラスタービーム強度を増し、5mm径の領域を毎分均一に単層被覆する蒸着速度を実現した。
今後、シリコンナノ粒子を始め、磁性ナノ粒子などについてもナノ構造秩序形成の確認を進め、新しい機能性を持った立体的ナノ構造秩序材料の開発を目指す。これによって、情報、エネルギー産業をはじめとする広い産業分野で必要とされるナノ構造秩序材料の実用化を進めていく。更に、クラスタービームによるナノ構造薄膜生成プロセスシステムの製品モデル機についても、ニーズに合わせた性能仕様の向上を目指す。