240124 仙台応⽤情報学研究振興財団講演会様

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3GeV⾼輝度放射光施設
NanoTerasu（ナノテラス）が創る社会
仙台市
ナノテラス
東北⼤学

本年4⽉
オープン

国⽴研究開発法⼈ 量⼦科学技術研究開発機構
⼀般財団法⼈ 光科学イノベーションセンター（PhoSIC）
国⽴⼤学法⼈東北⼤学
宮城県 仙台市 ⼀般社団法⼈東北経済連合会

⼀般財団法⼈ 光科学イノベーションセンター（PhoSIC） 副理事⻑
東北⼤学特任教授 河村純⼀

放射光施設とは: 巨⼤な「ナノの世界の顕微鏡」

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NanoTerasu

ナノのレントゲン

放射光施設の構造

我が国が先端技術で世界をリードしていく
うえで必要不可⽋な研究基盤施設
100万分の1ミリ

33

クス：放射光でnanoの回路が⾒えるの見え方が変わる

半導体 エ ク59 断面の破壊検査から，非破壊のMovie

断面の察（電子Swiss Light Source(SLS)

スケイジ グへの転換
放射光Ｘ線で⾒ると インテル G3260 プロセッサ
16nm FinFET device）
16nm FinFET device

製造検知

Swiss Light Source
https://www.nature.com/articles/nature21698

X線で何が⾒えるか
表⾯界⾯の化学結合

蛍光Ｘ線分析：元素分布を見る

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電⼦状態の変化・分布を⾒る

毛髪断面の元素分析

排ガス触媒中のCeの価数変化

金属ゴム界面の硫黄(S)イメージング：形を透視する

物質

位相差
屈折率

位相イメージング
ポリマーブレンドの3D可視化

蛋白質の構造を見る

結晶構造を⾒る世界トップクラスの光を⽣み出すためにSACLA

我が国がリードしてきた 放射光，Ｘ線
レーザー技術からナノテラスが誕⽣

X線レーザー
放射光

放射光の発⾒加速器のエネル
ギーが低いため，最初の放射光は，可視光だった

INS-SOR

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フォトン
ファクトリーSPring-8
SACLAでのR&DのSPring-8 2011

成果を結集
19471974

1983

1997

加速技術への投資の成果を投⼊，国際競争⼒のある研究インフラとして
NanoTerasu 2024年
楽天モバイルパーク
⼤きさ⽐較
100 m

110 m 直線加速器

電⼦銃

直線加速器

l ⾼い国産率l コンパクトl ⾼安定・⾼信頼性
l 世界トップクラスの性能

円型加速器(蓄積リング）2024

300 m 直線加速器

MAX-IV（次世代型）

2016年 スウェーデン︓
同じ速度まで電⼦を加速するのにな
NanoTerasuの約3倍の距離が必要

開発力強化：SPring-8 先
NanoTerasu（） ，
空間分解能，化学的性，動的時間分解開発力 革，産業界 学者
自 分

NanoTerasu
3GeV

SPring-8
8GeV

連13，．

6幅広い元素同定識別性︓半導体産業の観点から半導体

NanoTerasu(光⼦数/秒/mm2/mrad2/0.1%B.W.)

1021

2024

1020
1019

輝度

SPring-81997

海外の3GeV新施設

性能差を⼀気に逆転← 他の施設を圧倒する輝度

101810171016

不純物のドープで機能を変える

71015

PF1982

UV-SOR-III 1983
NewSUBARUHISORAichiSR
0.10.01
真空紫外SAGA-LS1

光エネルギー (keV)

軟X線

10100

↙ 増え続ける半導体材料の重要元素を可視化できるエネルギー範囲

硬X線
HeHe

Li BeBNa Mg

CN

Al Si PK Ca Sc Ti

O

F NeS Cl Ar

V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te

IXeCs Ba -- Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra --La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

凡例︓半導体の開発・製造で1980年代以前から使われている元素
11 elements

1990年代から使われている元素+4 elements

2000年代から使われている元素+45 elements (potential)

次世代放射光とは︖ SPring-8との違い

8

蓄積リング 周⻑349m
リング全周で16ラティス 偏向電磁⽯

64個 四極電磁⽯ 160個

六極電磁⽯ 160個

NanoTerasu

MBA

SPring-8

DBA

１ラティスに，4つの偏向電磁⽯を配置

1ラティスに，2つの偏向電磁⽯を配置

線型加速器 110m

ラティス

１

電⼦ビーム

23GeV蓄積リング

43

電⼦ビーム

NanoTerasu

光源となる電⼦ビームが細い
NanoTerasu

電⼦
４極電磁⽯偏向電磁⽯

放射光

６極電磁⽯

周回する電⼦の進路を磁⽯で蛇⾏させ放射光を発⽣

輝度が最⼤100倍向上
コヒーレンスが格段に向上

ナノテラスの強み2: 優れたコヒーレンス

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コヒーレンス: 波の位相(⼭と⾕の位置)の揃い具合

これまで (SPring-8など)

構造モデル
仮説

低コヒーレントＸ線

次世代︓NanoTerasu
可視化

計算〜1 Å

位相イメージング
コヒーレントイメージング

ナノで半導体の機能を可視化
材料・デバイス開発，プロセス，品質管理…あらゆる場⾯で利活⽤可能
⾼いコヒーレント性を⽤いた
⾮破壊の品質管理

低消費電⼒・⾼速動作する
新たな半導体材料を創る
グラフェンで省電⼒で⾼速な新たな半導体材料を創る
ü 放射光+AI分析で，原⼦１層分の厚みしかないグラフェンに含まれる微量元素の量を計測することに成功ü 微量元素の添加量に応じてグラフェンの電⼦状態が変化することを発⾒ 電気伝導性制御の効果を検証

スピントロニクスデバイスの状態を可視化

スピントロニクスメモリの製造を最適化
ü デバイス中の0.8nmの酸化膜の電⼦状態を光電⼦分光で分析，成膜プロセスの影響を特定．

資料：東北⼤・遠藤哲朗

磁区構造を可視化ü 磁⽯のN極とS極を⾒分け，⾼性能のデザインが可能に

資料：SLS

マルチスライス法
⾼橋幸⽣
（東北⼤）

高性能デバイスの実現

資料：東北⼤・⼩川修⼀，虻川匡司ら

資料：東北⼤・中村哲也

放射光施設を中核とするリサーチコンプレックス
2018年7⽉3⽇

林⽂部科学⼤⾂会⾒パートナーを選定、役割は次の通り
l放射光施設を中核としてリサーチコンプレックスを形成
l官⺠地域の役割分担に沿った⺠間企業等からの資⾦拠出

世界ではリサーチコンプレックスが急成⻑
現世代型放射光施設
l2010年9⽉サクレーをフレンチ・シリコンバレーにすると宣⾔。総予算30億ユーロ（約3,500憶円）
l2017年10⽉にマクロン政権で再宣⾔

SOLEIL@Paris
Saclay Cluster

次世代型放射光施設
ESRF 2020年
アップグレード@ GIANTキャンパス(Grenoble) / EU

サルコジ⼤統領

マクロン⼤統領

世界のその他施設
SLS @ イノベーションパーク / スイス
SLAC @ シリコンバレー / ⽶国
SSRF @ 上海 国家⾃主創出モデル区 / 中国TPS @ 新⽵科学園区HSP / 台湾

MAX-IV 2016年
運⽤開始@ サイエンスヴィレッジ(計画中) / スウェーデン

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官⺠地域パートナーシップによる建設・運営
2018年7⽉3⽇ 次世代放射光施設 官⺠地域パートナーの決定
建設費概算総額︓約380億円程度
地域分担約180億円

パートナー⺠• 代表機関（⺠間の⾮営利型法⼈）• コアリション利⽤の運⽤• 共⽤利⽤へのビームタイム提供

地域 光科学イノベー
ションセンター

⾼⽥昌樹 理事⻑
宮城県
村井嘉浩
知事

官官

仙台市
郡和⼦市⻑

東北経済連合会
増⼦次郎会⻑

東北⼤学
⼤野英男
総⻑

「有志連合」

コアリションメンバー

l⺠間企業・⼤学・国研等の組織（参画意向︓約140機関）
lニーズ・プルによる戦略的利⽤
l建設資⾦を拠出

分担約200億円

国の主体• 加速器・共⽤利⽤の運⽤• 先端技術開発

共共⽤ユーザーl個別研究グループ、個⼈研究者
l新たなシーズ・プッシュの創出

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ナノテラス 2つの利⽤形態

新システム
コアリション利⽤2024年4⽉〜
BL 7本

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•加⼊⾦を出資した会員による利⽤担当機関•課題審査なし，原則1か⽉前まで利⽤予約が可能•組織ニーズプル型・イノベーションを加速•ビーム利⽤料負担，すべて成果専有利⽤可能•利⽤⽀援あり•メールイン，代⾏測定，データ解析⽀援（⼀部オプション）等

⺠間企業、研究⼤学・研究機関向け
従来どおり共⽤利⽤

2025年3⽉〜
BL 3本•すべての個⼈が課題申請可能

担当機関•課題審査あり，年数回程度の課題募集•個⼈探求型・イノベーションシーズを涵養
•原則成果公開，ビーム利⽤料負担にて成果専有可能•利⽤⽀援なし（実験準備のみ⽀援）

⼤学・研究機関

登録施設利⽤促進機関

基礎研究向け14

コアリション メンバーサポート
1. 放射光の勉強は不要．お困りごとをお聞かせいただき，課題解決の機会を創出．
2. 多彩な分野の優秀なアカデミアとマッチング
3. 競争領域では，開発情報を管理し，ユニット間での健全な競争
4. 協調領域では，情報管理の下，広報や論⽂による情報発信で成果を共有

先端計測
データ科学

Access

新分野開拓
…

学術

産業界

開発成果

市場投⼊

コアリション
ユニット A

a

企業
Ab

企業
B

コアリション
ユニット B

c

研究所
C

コアリション
ユニット C

国際競争
社会課題への挑戦

競争領域

協調領域
利⽤⽀援サービス
分析会社・スタートアップ
⽇産アーク，⽇東分析センター，MST，いであ・・・

利⽤成果・効率を最⼤化する連携

産業界メンバー (150社)メンバーであることを公表している企業
NTT，中外製薬，ポーラ，アイリスオーヤマ，理研ビタミン，⽇本
⾼純度化学 ⻑瀬産業（商社） 等（原則 企業名⾮公開）

学術機関メンバー
東⼤，東北⼤，東⼯⼤，北⼤，東理⼤，名⼤，名城⼤，⼤阪公⼤,NIMS，等ナノテラスを核とする東北⼤学サイエンスパーク構想

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東北⼤学 半導体テクノロジー共創体との連携
CIES

⼤型クリーンルームを備えた施設群
地下鉄 ⻘葉⼭駅

遠藤哲郎
センター⻑

スピントロ⼆クス省電⼒
ロジック半導体開発拠点

CIES

NICHe

NICHe
⻘葉⼭キャンパス
須川成利教授半導体製造プロセス・部素材・イメージセンサ開発実証拠点μSIC

NanoTerasu
ナノテラス
μSIC

戸津健太郎
教授

MEMS設計・プロセス・開発実証拠点

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2023年12⽉7⽇ ファーストビーム成功

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ご清聴ありがとうございました
ありがとうございました

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次世代放射光施設｢ナノテラス」は、いよいよ2024年4⽉より運⽤開始を迎えます。
ナノテラスから東北・⽇本の新たな発展をめざす、リサーチコンプレックスを建設してゆきます。
皆さまの御利⽤をお待ち申し上げます。

お問い合わせ先

⼀般財団法⼈ 光科学イノベーションセンター
コアリション加⼊推進部

980-0845 仙台市⻘葉区荒巻字⻘葉468番地１
レジリエント社会構築イノベーションセン
ター507
TEL︓ 022-752-2210 （FAX兼⽤）Email:info@phosic.or.jp