■2005.10

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.228

TODAY

今こそ「材料への人材回帰」のチャンス

大学院生にも素材産業を希望する学生が少しずつ増えつつある。株価が人材確保にも一役担っている証
京都大学大学院工学研究科教授である。今こそ本腰を入れ、「優秀な人材の材料への村 上 正 紀回帰」の実践のチャンスであると思う。アルミ業界
では人材回帰の具体的な企画がなされているとの朗

日本は耕作地も少なく、地下資源にも乏しい。海報がある。7月7日に開催された材料戦略会議の席で外からの輸入が全くなければ、3000万人くらいがアルミ業界を代表していただいている委員から「若（現在より生活レベルを格段に下げ）やっと自活できい頃より業界発展のため全力を尽くし、そろそろ定るくらいの島国である。残りの9000万人分の生活は、年を迎える時期になった。後継者は？ と振り返る

日本からの輸出による外貨獲得に頼らねばならぬのと自分の後ろについて来てくれている者は僅かであが現状である。鉄鋼業をはじめとする素材産業は外る。これは、アルミ業界全体の共通点である。既存貨の稼ぎ頭であり、われわれはその恩恵を被り、今の学協会に頼らず、数社の企業で資金を調達し、大日でも豊かな生活が可能である。もちろん、日本に学に直接助成し、アルミ研究・開発に興味をもつ人は資源が乏しいために、素材産業の繁栄は日本の優材の育成を促進する」とのご発言があり、アルミ企秀な人材が「材料を制する者が技術を制し、未来を業が直接人材育成に力を入れ始めたあらわれである。
日本金属学会でも材料への人材の回帰の重要性を拓く」との精神で、材料に集結した結果である。
「鉄は国家なり」と謳われた素材産業最盛期には、唱え、「材料分野のプレゼンスの向上」、「高度化社会どの業種より鉄鋼業には非常に優秀な人材が職を求を牽引する材料立国の構築」、「専門家集団としてのめ、終戦後の日本の経済繁栄に貢献してきたし、現地位向上」のスローガンを掲げ活動している。

在も貢献している。しかし、バブル経済崩壊後は、現在は、過去と異なった材料を取り巻く環境の相日本の不景気の波が素材産業を直撃し、若者の材料違（例えば資源枯渇）から、材料研究・開発の方向への憧れを啓発するシナリオは存在せず、大学では性もおのずから異なってくる。次世代でも日本が素若者の物づくり離れ、特に材料離れが激しく、材料材産業で世界をリードするには、時代の流れに整合工学を専攻した学生ですら、素材産業への就職希望し、かつ他国とは異なった「日本独自の材料」を創者が激減していた。このように優秀な人材が材料に成してくれる人財を確保せねばならない。今までは、関心が薄いことが大学での材料研究を弱体化させ、大学生に向けての人材回帰活動が主であったが、大素材産業が外貨の稼ぎ頭であり続けられるか否かが学生では少し遅すぎる感がする。今こそ、産官学が懸念された。

一体となり、中学・高校時代から「材料の面白さ」

しかし、ここ2、3年鉄鋼業をはじめとする素材産を教えるために、教科に「材料」を取り込む強力な業の業績が種々の要因が上手く噛み合わさり改善し働きかけをすべきである。材料に順風が吹きつつあてきた。最近の素材企業の株価の高騰を反映して、る今を逃せば人材回帰の時期はないと思う。

1

JRCM REPORT「ナノメタル技術「ナノメタル技術 実用金属材料分野ナノメタル技術開発」
実用金属材料分野ナノメタル技術開発」中間報告
中間報告
非鉄材料研究部

1 はじめに有我誠芳

な解明、及びその手法の確立を目標に学研究所に参加していただき、銅合金（図−1）。
研究開発を進めているの組成、組織をナノレベルで制御する

本研究開発は科学技術基本計画に基本レポートでは銅、アルミニウムことにより、高強度、かつ高電気伝導づく重点化方針で、国自らが重点的に（計算科学）関係の研究成果の途中経度を併せもつ銅合金を開発することを行う課題の一つとして位置づけられた過について報告する。

目的として、①ナノクラスター・ナノ
析出制御技術、②粒界・界面構造制御、テリアル・プロセス技術の一環とし

2 ナノメタル（銅系）研究開発て、新エネルギー・産業技術総合開発

ナノメタル銅系には大きく分けて2（図−2）。
で研究開発を進めている機構（NEDO技術開発機構）から委託

つのテーマがあり、一つは小型高密度①ナノクラスター・ナノ析出制御技術を受け、JRCMが平成13年度から17年電子機器に使用される高機能銅合金板

Cu-Ni-Si系合金で、固溶する元素を度の5年計画で実施しているプロジェ材に関し、ナノサイズの結晶粒及び析最大限析出させて、マトリックスの純クトである。

ナノテクノロジープログラム ナノマ③ナノ結晶粒創製技術の3つのテーマ

出物を制御することで、高導電性と高度を上げることにより電気伝導度を向本プロジェクトは構造材、機能材と強度の両者を向上させることを目的と上させ、同時に析出物をナノサイズにして工業的に重要な金属材料である鉄する「ナノ銅バルク研究テーマ」と、制御して強度向上する技術を研究開発

系材料、アルミニウム系材料、銅系材

もう一つは次世代Si半導体中のナノスしている。

料を対象とし、金属材料の組成・組織ケールの配線材料として、Alより低これまでに析出相（Ni2Si）をナノを超精密、超微細に制御することで機抵抗のCu配線材の実用化に関するサイズで析出させるための時効温度や械的特性（強度、延靭性等）、機能特「ナノ銅薄膜研究テーマ」である。

加工率等のプロセス条件を見いだすこ性（電気特性、磁気特性、耐食性）を（a）ナノ銅バルク研究テーマとができ、現在は合金組成と添加元素飛躍的に向上させるとともに、計算機

東北大学の石田清仁教授をリーダーが析出相組織に与える効果の調査を続シミュレーションを活用したナノ領域（株）、
日鉱金属（株）、に、
ヤマハメタニクス

け、高強度、高電気伝導度を両立させにおける金属材料の設計技術の体系的東北大学金属材料研究所、多元物質科るメカニズムの解明を目指している。

図−1 実用金属材料分野ナノメタル技術

JRCM NEWS No.228

2

研究体制

的な性能の評価、研究を行い、Sn濃度と熱処理条件をさらに最適化することによって高性能化を目指している。
③ナノ結晶粒創製技術
急冷凝固した非晶質材料を熱処理して得られるナノコンポジット組織のうち、「粒界なし結晶＋ナノ非平衡粒」
は適度の電気伝導度と高強度の銅合金材料が期待されるため、合金設計、及び液体急冷技術を駆使して高強度導電性銅合金開発の指導原理の確立を目指している。
これまでに急冷凝固技術の開発等を行い、σ＞1700MPaと導電率ρ＞20％IACSを兼ね備えた組織制御銅2元合金の創製に成功した。今後、最終目標であるσ＞1800MPa、ρ＞20％IACSを達成し、本開発銅合金の実用化研究まで進める予定でいる。
また、ラインスペースが50μm以下の次世代実装技術に対応するバネ材としての用途展開を目的として、Cu−Sn合金を成膜するための電界めっき条件
図−2 ナノ銅バルク系開発目標を検討し、成膜速度、Sn濃度の制御

また、銅合金の材料設計支援を目的レベルの微細組織の実現に取り組み、が可能となった。さまざまなSn濃度に、「スピノーダル型銅合金の相安定引張強度≧740MPa、導電率≧60％

並びに熱処理条件で作製した試料で導性の予測システムの構築」を目標としIACSの特性が得られている。

電率とナノインデンテーション硬度をて、スピノーダル分解や2相分離が出

現在はCu-Cr-Zr系合金で引張強度測定し、最大導電率19％IACS、最大現する銅基系の相平衡についてこれま1000MPa以上、導電率60％IACS以上

硬度3GPa（換算降伏応力1GPa）が得

でにCu-Cr-Fe-Ni-Si-Sn-Zn-P 8元系デーの特性に加工性を併せもつ微細組織のられた。この材料はCu−Sn固溶体とタベースを完成させた。Ti、B、C等

最適化と絞り込みを、組成、時効条件、Cu3Sn金属間化合物の2相組織から成のマイクロアロイング元素を含んだ系

加工条件の最適化の観点から実施してっており、高強度の原因が粒径100〜についても熱力学解析を行い、11元系いる。

500nmの微細結晶粒が安定に存在するデータベースの構築を進めている。
②粒界・界面構造制御

また、めっき法によりバネ材としてことに起因することを明らかにした。の材料開発を検討しているCu-Sn合金

現在は、合金膜の特性を向上するた

強加工した銅合金を再結晶させる際

では、成膜するための電解めっき条件めに、Sn濃度と熱処理条件の最適制に、ナノスケールで析出させた第二相を決定し、成膜速度並びにSn濃度が御によって30％の導電率を達成する。

粒子を利用して、再結晶時の粒成長を制御できるようになった。種々のSn

さらに、研究終了後の実用化を見据え抑制し、ナノサイズの結晶粒微細化を図

濃度並びに熱処理条件の試料においてて、膜表面の平滑化、バネ特性（弾性り、純銅マトリックスによる電気伝導度導電率とナノインデンテーション硬度率）の評価、加熱時の応力緩和の評価向上、微細結晶粒による強度向上を同を測定し、最大導電率19％IACS、最と向上に関する研究を行っている。

時に達成する技術を研究開発している。

大硬度3GPa（換算降伏応力1GPa）が（b）ナノ銅薄膜研究テーマ

Cu-Cr-Zr系合金を中心にCr、Zrのナ得られた。現在は、高温での応力緩和デバイス性能の（飛躍的）向上のた

ノ（微細粒子）析出制御による数10nm耐性や弾性率等、バネ材としての総合め、高い信号伝播速度（電気抵抗率に3JRCM NEWS No.228

図−3 ナノ銅薄膜系開発目標逆比例）が要求され、Al配線からさAl配線材と同等以上の性能を得るこ

イズパラメータに関する知見を得るこらに低抵抗なCu配線材への変換が必（図−3）。とを目標に研究を進めているとができた。

須だが、配線の微細化が進むとバルク④ナノCu薄膜組織制御技術

今後は、高圧アニール埋め込み法にCuより比抵抗が大きくなることが予

銅合金薄膜配線の開発を進め、Cu-よるバリア層自己形成超微細銅合金配想されている。このため、京都大学のTi合金薄膜材は400℃で熱処理するこ線材の実現を目指し、Cu-Ti合金薄膜

村上正紀教授をリーダーに茨城大学、とでCu配線部とバリア層部の2相分離に対して、（1）合金組成の決定（400℃（株）神戸製鋼所に参加していただき、が生じ、基板との界面部に自己組織形

熱処理において バリア層自己形成＋Cu薄膜配線材の使用限界を物性、信成したTi-rich層（界面反応によるTiシ

低抵抗（4μΩ-cm以下）＋高埋め込

頼性の点から解明することを目標としリサイド及び酸化物）が銅拡散に対すみ性 を有すること）、（2）
埋め込みプてCu配線に対して材料科学的課題のるバリアになることを検証した。

ロセスの最適化（設計径：180nm、ピ解明・解決を主体に進め、単結晶Cu

一方、Cu薄膜中へのTiの固溶は高ッチ：450nm、アスペクト比：3.0〜

薄膜配線及び種々の結晶粒径を有する

温高圧リフロー性（ダマシン配線形成

4.0のビアを有するTEGへの100%埋め多結晶Cu薄膜配線を作製し、サイズの埋め込み性）を阻害するため、リフ込み）を目指し、埋込配線に対して、効果によるCu配線の特性限界を明ら

ロー性改善を目的として成膜時の雰囲埋め込み性、微細構造（バリア層自己かにした。

気条件等のプロセスの最適化、及び有形成）、性能（電気抵抗率）、信頼性評

得られた知見をもとに、次世代ULSI

効な添加元素を検討し、Sb、N等の添価を行い、開発した技術の効果の検証に必要とされる電気抵抗率を予測し、加により、流動性が改善されることをを進める。

配線の低電気抵抗率を確保できる新し確認した。

3 ナノメタル（アルミニウム系

い配線技術として「バリア層自己形成また、開発材の特性評価のために技を実現する銅合金材」の開発に着手し、術ノード35−50nmに相当する、配線Cu-Ti合金薄膜が有望であることを見

幅50−80nm、深さ150−200nmの超微

当初、自動車用アルミニウム合金板

いだしたが、実用化に向け目標をシフ

細溝形成プロセスを検討し、それに基材のベークハード性の向上を達成する

トし、研究開発実施項目、共同研究体づきTEG（Test Element Group）をため、ナノスケールのクラスターを適制を見直し、平成16年度以降「スパッ設計・製作した。また、並行して超微切に制御することをとおして、高性能タリング＋高圧リフロー法」による高細配線のSM耐性、EM耐性の予備検を発揮するナノマルチ組織制御技術の品質のCu配線材料の実用化に向け、討し、耐性向上に有効なプロセス、サ指導原理の確立を目的として、東京工JRCM NEWS No.228

4（計算科学））研究開発

業大学里 達雄教授をリーダーにして、結果を再現予測するため、主としてモー形成の発熱ピークが検出され、活性住友軽金属工業（株）、古河スカイ（株）（平ンテカルロ法を用いて、ナノスケール化過程の解析が可能となった。

成15年10月にスカイアルミニウム（株）のクラスター形成、PFZ形成のシミュ

現在は、パラメータデータベースとと古河電気工業（株）の軽金属部門が統レーションモデルの開発を行っている

しての拡充を進め、パラメータを活用

合）、富山大学、九州大学、大阪大学、（図−4）。

してクラスターの組織予測、並びにマ

ここでは、平成16年度以降のアルミニイクロアロイング元素の含有量の予ウム系の計算によるシミュレーション測。また、これらと対応して種々の合平成15年度に行われた中間評価の結に関する研究成果の概要を紹介する。

金系のナノクラスター擬平衡状態図を果、技術的には高い評価を得たが、実用①ナノクラスター・ナノ析出による組構築。さらに、低温断熱型比熱測定装

京都大学、静岡大学の協力のもとに研究を開始した。

化を促進する観点から、自動車軽量化

織予測シミュレーション

置により得られるナノクラスター形成プロジェクトのなかの高成形性板材グ

原子間相互作用パラメータの計算範にかかわるエネルギー変化の実測値をループと一緒になって、自動車用板材囲を拡張し、第2近接以遠の2体間並び考慮してシミュレーション手法の高精の開発を目指すほうが効率的であるとに多体間の相互作用を系統的に評価し度化を進めている。の指導を受け、平成16年度からは、高た。これらは計算機シミュレーション②粒界構造制御によるシミュレーション

成形性板材のr値向上の研究を支援すだけでなく、構造安定性の評価にも活原子間相互作用パラメータの拡充結る形でベークハード性向上のナノアル用できるデータベースとしても有効で果を活用し、PFZ形成挙動を計算機シミ研究を継続することとなった。ただある。また、Al-Mg-Si合金をはじめ、ミュレーションするモデルを発展させし、計算によるシミュレーションの研種々の3元合金のクラスター形成のシた。特に、PFZ幅の時間変化のシミュ究は、鉄系、銅系との材料系を越えた金ミュレーションが可能となった。さらレーションが可能となった。また、

属材料設計技術の体系的な手法確立のに、原子間相互作用パラメータの拡張種々のマイクロアロイング元素によりため、ナノメタル技術プロジェクトのにより、これまでは不十分であったクPFZ幅が複雑に変化する挙動をシミュなかで、自動車軽量化プロジェクトのラスター内の溶質濃度を評価できる見レーションできる手法を構築し、さらナノアルミ研究グループと密接に情報通し、及び格子ひずみを考慮したパラにPFZ近傍での析出粒子のサイズ分布交換をしながら東京工業大学と京都大メータ評価を可能とし、クラスター安をシミュレーションするモデルの構築学が中心となり研究を継続している。

定形状の予測ができる見通しを得るこの見通しを得た。

現在は、①ナノクラスター・ナノ析とができた。一方、低温断熱型比熱測

また、本年度は焼入れ過程での溶質出制御、②粒界・界面構造制御の実験定装置により、室温付近でのクラスタ枯渇効果を調べた結果、焼入れ中に比較的長範囲の溶質枯渇領域が形成される場合、その枯渇範囲に対応したPFZが形成されること、また、PFZの位置では溶質濃度が固溶限でもスピノーダル点でもない、温度と濃度勾配で決まる一定の濃度になることを明らかにする等、組織制御に必要なメカニズムについての知見を得ることができた。
現在は、PFZ幅の時間変化を予測できる計算機シミュレーションを系統的に進めている。焼入れ時に空孔

図−4 計算科学（アルミニウム系）開発内容

5

濃度や溶質濃度が偏在する

JRCM NEWS No.228

ことを想定して初期設定条件を変化さめ、現在研究開発の最終段階にあり、せ、PFZの時間変化の再現。また、

4 おわりにPFZ幅に大きく影響するマイクロアロJRCMが委託を受けている「実用金期間後の展開を念頭において、最終目イング元素の影響について、系統的に属材料分野ナノメタル技術開発」プロ標の達成、成果の取りまとめに向けて予測するモデルの構築を進めている。

ジェクトは平成17年度末で終了するた活動を続けている。

各研究グループともプロジェクト終了●セミナー案内第186・187回西山記念技術講座

環境技術の研究開発に関する講演会「表面処理鋼板の技術展開と防錆機構解明の最前線」−CDM運用の現状と今後の方向−主催：（社）日本鉄鋼協会

主催：東京大学大学院工学系研究科マ

第186回

テリアル工学専攻 環境マネジ

日時：11月9日（水）9：00〜17：00

メントセンター

場所：【神戸】西山記念会館 大ホール

日時：11月16日（水）13：00〜17：30

第187回

場所：東京大学山上会館 大会議室

日時：11月30日（水）9：00〜17：00

参加費：講演会無料

場所：【東京】東京電機大学 7号館（意見交換会：5,000円）

1階丹羽ホール

定員：150名

問い合わせ先：（社）日本鉄鋼協会

問い合わせ先：東京大学

学会・生産技術部門事務局

松野泰也助教授

育成グループ 植田、
金子

TEL：03−5841−1194

TEL：03−5209−7012

FAX：03−5841−1282

FAX：03−3257−1110

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第228号

発 行 2005年10月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

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