The Japan Research and Development Center for Metals

財団法人 金属系材料研究開発センター

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TODAY

基礎技術は先端技術

古河電気工業株式会社

常務取締役(鈴 木 雄 一

レーザーダイオードのTEM写真理事)

右上の写真は光信号の増幅に使われるレーザーダイオードのTEM（透過電子顕微鏡）写真です。
レーザー光の通るメサ（台形）の両側に転位ループが見えます。長時間の加速試験後に発生したものです。光の通る場所に転位があるとレーザー光の強い電場が乱れ、局所的な発熱によって素子が溶けてしまいます。高出力のレーザーでは主要部の転位をなくすか、できるだけ減らす必要があります。
結晶を成長させる技術に優劣があると、同じ原材料と同じ装置を使っても、出来上がったレーザー素子の出力に100mWから250mWといった差が出ます。値段は倍以上も違います。市場でのレーザーの価値を決めるのは、先端技術である半導体設計技術と並んでCVD（化学的気相成長法）等の結晶成長技術であり、結晶の良否を判断するTEM等の評価技術なのです。
結晶成長と評価技術は典型的な基礎技術です。
どの分野でも高度な基礎技術なしに先端技術は成り立ちません。トランジスタ、LSI等の半導体素子や通信用光ファイバーも、ゾーンメルティング、CVDといった高純度に物をつくる技術がなければ実用にはならなかったのです。
基礎技術は先端技術のニーズに応じて進化しますが、それ自身も進化します。例えば、状態図は材料学における典型的な基礎技術ですが、1970年代からコンピュータで計算できるようになり、90年代に実用期に入りました。合金系によっては実験より信頼できる状態図が得られます。さらに役に立ったのは、状態図を自由エネルギーの差として考える習慣がついたことです。組成と温度によって相の結晶型を知るだけでなく、異なる相の自由エネルギーの差を予測できるので、より理論的に合金開発ができるようになりました。熱処理の時間や粒子サイズの影響まで取り込めます。
コンピュータシミュレーションは先端技術ですが、状態図の源は熱力学で、最も基礎的かつ古典的な学問です。基礎技術としての状態図が先端技術と複合して進化した例といえます。
一方で、微細析出相に対するナノスケールの観察等、評価技術も進化しています。シンセシスとアナリシスは基礎技術において常に相補的です。
強調したいのは、基礎技術の進化が先端技術、優位技術、差別化技術の進歩に不可欠なことです。先端商品、先端技術は基礎技術とリンクして研究開発しなければ次の発展に結びつきません。
幸い、基礎技術は共有できます。基礎技術で産学官協調をやったら成果が出るのではとよく考えます。JRCMが材料関係の基礎技術進展にお役に立つことがあれば、会員の一人として幸いに存じます。

JRCM REPORT「ナノメタル技術」プロジェクト全体概要
研究開発部 藤田米章

JRCMは、 大阪科学技術センターーダー（100ng/g（OSTEC)、日立金属㈱とともに、経以下）まで低減す

済産業省が推進する「ナノテクノロジる組成制御技術をープログラム」の１プロジェクトとし中心に、組織制御て、新エネルギー・産業技術総合開発

技術、技術の体系機構（NEDO）から委託を受け、平成化に取り組む。す13年度から５年間の計画で「ナノメタなわちコールドクル技術プロジェクト（プロジェクトリ

ルーシブルを用いーダー：井上明久東北大学金属材料研た超高真空溶解に究所長)」を実施することとなった。

よるCr、Ti、Ni、Feップレベルにある金属材料技術を駆使溶製技術を確立し、してナノレベルの金属組成・組織制御

これら超高純度金技術に挑戦、世界に先駆けて超高純属への有用元素の度・超微細組織制御金属の創製を目指添加技術、さらにすものである。

塑性加工や熱処理研究の実施に当たっては、対象とす等を施すナノ領域

超高純度金属材料分野

実用金属材料分野

研究ユニットⅠ
リーダー：安彦兼次

研究ユニットⅡ
リーダー：石田清仁

１．組成制御技術（安彦兼次）
２．組織制御技術（井上明久）
３．計算科学（石田清仁）
４．技術の体系化（石田清仁）

東北大金研

産総研

受託

受託

ＯＳＴＥＣ

ＪＲＣＭ

企業６社

企業１１社

委託

委託

２社

東北大（銅系）

݀षḁἦ

等の超高純度金属

ナノメタルプロジェクト技術開発委員会
組成制御･組織制御･計算科学･体系化݀षḁἦ

本プロジェクトは、日本が世界のトナノメタル技術研究体
プロジェクトリーダー：井上明久

九州大
（鉄系）
東工大
（アルミ系）

６大学

る金属材料を、超高純度金属材料分野

組織制御技術等に（分野リーダー：安彦兼次東北大学金より、革新的な特属材料研究所助教授）と実用金属材料性を有する金属材分野（分野リーダー：東北大学未来科料の創製を目指す。

学技術共同センター石田清仁教授）にこれにより、例区分し、それぞれOSTEC、JRCMをえば従来材をはる管理法人として推進する（図−１)。

かに超える高温で強耐食性を有し、か設計技術を開発するとともに、系統的つ靱性等の信頼性に優れた新規クロムな材料特性を取得し、それに基づくデ基合金の開発が期待され、高効率ガスータベース構築により技術を体系化すタービン等に初めて適用が可能となるる。これらにより、高度な特性を有すものと考えられる。

る金属材料の設計及び創製を可能とす

１．研究開発の目標
本プロジェクトでは、超高純度金属材料分野と実用金属材料分野について、金属材料の組成及び組織を超精密・超微細に制御することで機械的特性（強度、延靱性等)、機能特性（電気的特性、受託日立金属

図−1 ナノメタル技術研究体―研究実施体制

３．実用金属材料分野（JRCM担当)の概要

る技術基盤を構築する。
具体的な取り組みを図−２に示す。
強度や延性が要求される構造材料とし磁気特性、耐食性等）を飛躍的に向上

実用的成分の金属材料を対象とし、て、変態や磁性のないアルミニウム系させるとともに、これらの技術と知識金属材料が有する強度・延性等の機械材料と変態や磁性のある鉄系材料を、の体系化を目標に研究開発を行う。

的特性や、電気伝導度・耐食性等の機高導電性等、機能的な特性を要求され能特性を高度に引き出すことを目的とる材料として銅系の材料を取り上げ、し、ナノ領域における金属組織とその主要な組織制御技術である①ナノクラ生成機構を解明し、組織制御技術を確

スター・ナノ析出制御技術、②粒界・立する。また、計算科学を用いた材料界面構造制御技術について研究を実施

２．超高純度金属材料分野（OSTEC担当)の概要
金属中の不純物元素をナノグラムオ

する。さらに、電子デバイス用等、の研究開発が促進されるものと期待さIT用途に超薄膜材料として利用が期待れる。

される銅系については、バルク材料のみならず、超微細な結晶を得るための実用金属材料分野では、図−３に示すように、集中研究所を九州大学大学
院工学研究院 材料工学部門（鉄系)、４．研究実施体制

東京工業大学大学院理工学研究科 材

超急冷プロセスによる③ナノ結晶粒創研究の実施に当たって、超高純度金料工学専攻（アルミ系）及び東北大学製技術及び電子デバイス等、基板上に属材料分野は、集中研究所を東北大学（銅系）に設置する。鉄系には５社２物理・化学的蒸着法等によりナノレベ

金属材料研究所に設置し、 産業技術大学、アルミ系には３社２大学、銅系ル厚みで形成される超薄膜金属の組織総合研究所純度制御開発研究ラボのには３社２大学が参画する。

を対象として④ナノ薄膜組織制御技術他、企業６社が参画する。

を取り上げ、ナノ領域組織制御技術の総合的研究を目指す。
銅系ナノメタルについては本号で、

銅 系

アルミニウム系

鉄系及びアルミニウム系ナノメタルに高電気伝導・高強度ナノクラスター
析出制御

ついては次号で詳細を報告する。

雰囲気制御熱処理

御技術の研究成果としては、例えばア急速熱処理

大ひずみ加工ナノ結晶粒晶出制御

超急冷・大過冷

自動車用、橋梁等
構造材料

アモルファス･ナノ結晶制御

工具鋼

困難であった部分へ適用が可能な自動車用薄板材料の開発が期待される。
また鉄系材料では、鋼材中で従来有接続用伸銅材料

酸化膜

ナノ薄膜組織制御

Cuをナノ析出制御させることにより、/3оP

害不純物として利用が限定されていた

磁場中加工

２段時効・ナノクラスターサイズ、分布、構造制御
・結晶粒微細化制御

粒界・界面制御

ント・リヤ両フェンダーのように、加工度が高く従来アルミニウムの適用が高強度・高延性
新加工熱処理

これらナノレベルの超微細な組織制
ルミニウム系材料では、自動車のフロ

鉄 系新薄膜プロセス(置換めっき等)

ボイド
電子

Siデバイス用
銅薄膜材料

電子粒界

薄膜中、界面、ボイド等の制御

強度と延靱性に富む構造材や自動車用

基板薄鋼板及び工具鋼の開発が期待される。

図−2 実用金属材料分野―ナノ領域組織制御技術の取り組み

バリア膜Cuの有効活用は鋼材のリサイクルにとって非常に有効であり新世代の鉄鋼材料と期待される。さらに銅系材料

実用金属材料研究ユニット

では、液体からの超急速冷却法や組織（リーダー：石田清仁）制御技術により従来の２倍以上の高いＮＥＤＯ

日立金属

導電性と強度を有する高性能伸銅材料化に寄与することが期待される。
一方、計算科学を応用した金属材料設計技術の基盤確立により、高い特計算科学

鉄系研究グループ
共同研究 ･住金

･ＮＫＫ

九州大

･新日鐵 ･川鉄（集中研究）･神鋼

組織制御技術委託･住軽金･古河電工･スカイアルミ･日鉱

銅系研究グループ

委託共研が適用されることが期待される。

東北大

さらに、ナノメタル知的基盤プラッ（集中研）

トホームの構築により、技術が体系的
図−3 実用金属材料分野研究体制･富山大･九州大

アルミ系研究グルｰ プ･ヤマハメタニクス･茨城大･大阪大等で世界に先駆けて実用的に計算科学に整理され、その活用により新規材料技術の体系化･住金鉱

性・機能を有する新規な金属材料の創製にかかわる材料設計、プロセス設計

委託

ＪＲＣＭの開発や、配線幅100nm以下の次世代Siデバイス用超微細銅薄膜配線の実用

委託

委託･京都大･秋田大共同研究

東工大（集中研究）

銅系ナノメタル(バルク材、薄膜材)プロジェクト計画
研究開発部 岡田英治
(現：住友金属鉱山㈱技術企画部)

１．提案の背景

極的にやっていかなければならないも膜（サイズとしてはすでにナノ領域）のである。

サイドからのナノテクノロジー的材料

伸銅品は、ウエアラブル機器、携帯また、現代社会の高度化、I T 化を理解に基づいた本質的な問題解決手法

オーディオ、携帯電話、デジタルスチ支えるS i 半導体デバイスの高性能化を見いだし、銅基材料形成プロセスのル・ビデオ機器、ノートパソコン等、は、Mooreの法則に従うサイズの縮構築を目指すことになった。

日本が得意とし対外的に優位な電子情小によって達成されてきたが、近年そ報機器関連商品への需要が増えている。の微細加工技術に限界が見えてきた。

使用部位は基板用、基板接続用、外部さらなるデバイスの高性能化を実現する機器接続用等である。現在、急速に展ためには、従来の電極材料を新材料に高導電性と高強度の両立を、図−２開するI T 化は、図−１に示すように、変換するより他にない。京都大学 村上に示すように、ナノテクノロジー的観

情報機器の高機能化・小型化・高信頼正紀教授らの研究調査の結果、次世代点よりブレークスルーを狙うものであ性を要求し、導電材料（情報伝達材料）

S iデバイスに使用される超微細Cu配る。高導電性の付与には、マトリックスにとしてキーマテリアルである、伸銅品線の機能性を最大限に発現させるため固溶している元素（抵抗となるもの）のさらなる高機能化が社会的な要請とに、薄膜材料としてのCuの物性とナを極力少なくすることで達成を目指す。

なっている。

ノ構造の関係を明らかにし、材料学的①マトリックスに固溶する導電性を邪

高導電性と高強度を併せて付与する

理解に基づいた本質的な問題解決手法

魔する元素の除去法、除去した状態をことが可能となれば、情報の大容量化を確立し、次世代Siデバイス用配線材料ナノ析出状態にして強度の発現を図ると高速化、機器の小型化に対応する極に要求される極めて高い材料特性を実方法の開発：狙いは、Cu‐T i 系。マ

薄化・超高性能化が実現されるだけで現するCu配線材形成プロセスを構築

トリックスに固溶し導電性を悪化させなく、極薄化による資源の大幅な節約することが急務であることが判明した。

るT i を、画期的な方法で酸素を侵入が可能となることで、急がれる地球環以上のように、I T 化に欠かせないさせてナノサイズのチタン酸化物を析

境の保全にもつながるものであり、こ情報の伝達材料である銅基材料のバル出させる方法を基礎技術開発し、プロの未来への技術開発投資は国として積クサイドからのナノテクノロジー、薄セスへの適用のめどを得る。

次世代半導体デバイス
Cu配線材料への要求（４）ナノ薄膜制御技術･高信頼性･配線幅 50〜70nm（2005年）･アスペクト比 ６−８･超高集積化、超高速動作･低コスト素材（伸銅品）への要求（１）ナノクラスター･ナノ析出制御技術（２）粒界界面構造制御技術

高度情報通信社会の到来
循環型社会の構築
情報通信等、電子機器の超小型化･超高機能化
ユビキタスITの時代へ

電子部品･素子の超小型化･超高密度化
超高機能化･複合化
従来の１０〜１００倍･超薄肉化
従来の１／１０〜１／１００･超高強度化
従来の数倍〜１０倍･高導電性
従来の２倍〜数倍･環境に優しい素材
リサイクル容易･無害･低コスト生産性の高い製造技術

低消費電力･低発熱化
従来の１／数〜１／１０

素材への要求（３）ナノ結晶粒創製技術

図−1 ナノメタル（銅）研究の提案の背景

２．研究の進め方
ナノ伸銅品開発②固溶元素の少ない状態を維持しながら、高強度を発現させる画期的な方法の開発：微細結晶粒と第２相の大きさをナノサイズで制御する技術開発を行う。ナノサイズ化が困難とされる純銅ベースで、結晶粒の微細化を達成する画期的な開発を研究室規模で確認し、ベンチスケールへの適用のめどを得る。
③その他：スピノーダル分解型高強度
銅合金の析出制御、銅基共晶合金の超微細組織形成技術の基礎研究ならびに基礎となる銅基合金の熱力学データベース構築を行い、これらの適用のめどを得る。
このように技術開発ごとに項目をわけて、東北大学 石田清仁教授の指導のもと、①はヤマハメタニクス㈱で、②に示すように大きく４項目ある。また極導体先端テクノロジーズ等との連携をは日鉱金属㈱で、③は石田教授が役割めて基礎的な研究が必要なことと併せ取りながら研究を進める。半導体メー分担することにした。て、研究体制は、大学を主体とした項カー、装置メーカー、海外研究機関等目別の専門家での研究集団の構築が効との連携も視野に入れて情報交換等を率的との判断のもと、京都大学 村上教図る予定である。

ナノ結晶粒創製（液体急冷法での合金開発)
ナノコンポジット組織をもち、超高授の指導のもとに比強度を示す液体急冷アルミニウム及その体制を整えた。

びマグネシウム合金を創製した実績をまた、住友金属鉱基に合金開発を行う。液体急冷法によ山㈱から専門研究

り理論強度達成（一般に導電性が悪員１名を京都大学・有効ピン止め粒子による超微細化化）を目標にナノコンポジット組織をに派遣し、研究の（酸化物、硫化物、硼化物等）もつ銅系合金の開発を行い、その後、加速を図ることと熱処理による組織（粒界）制御により・精緻加工熱処理技術開発

粗粒組織：
粒径10〜30μｍした。

導電率の向上（一般に強度が悪化）を一方、次世代半図り、最終的に高強度―高導電率を示導体の共同研究のす画期的な銅系合金を開発する。この中心である、㈱半超微細組織：
粒径０.１〜１μｍ

・金属ガラス、アモルファスのナノ結晶化

粒子径：〜数10 nm

図−2 ナノ銅（バルク）共同研究の組織制御

成果を用いて、液体急冷法で創製した
高強度―高導電率を示す銅系合金の粉末を作製後、押出し成形やスパークプラズマ焼結等により、実用材料としてCu膜の商用ベリリウム銅を超える高強度―バリア材

高導電率バルク材の開発を目指す。
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電流

本開発は、東北大学金属材料研究所
井上研究室にて研究を行う。
ナノ薄膜組織制御（次世代Siデバイ（課題）【断面図】

半導体銅配線の例

ス用超微細Cu配線技術の開発)【表面形状・状態】

材料学的理解に基づいた本質的な問
SiO2 またはLow-k材

世代Siデバイス用Cu配線材料に要求される極めて高い材料特性を実現できるプロセスの構築を目指す。
究の結果、薄膜化の際の課題は図−３【導電性】
・Cu膜粒径分布、成長機構
・欠陥、不純物（添加剤）
・腐食（酸化）

Cu膜

題解決手法を確立し、それを用いて次京都大学 村上教授らの予備調査研【縦面図】【デュアルダマシンCu形成技術】
・スパッタ/めっき/CVDの限界
・新Cu配線形成技術（低コスト）

銅配線断面
図−3 ナノメタル（銅）薄膜研究の課題【応力分布】 【信頼性〜EM、SM】
・Cu膜質（粒径、配向性、欠陥、不純物）・表面拡散（バリア材界面、酸化）・応力分布・機械的強度
・50nm幅でAlとの比較【バリア性】
・密着性（SiO2 /バリア/Cu）
・耐熱性（結晶構造、欠陥、臨界膜厚、拡散機構）
・評価法

SCHEDULE
開催月日

会議・イベント場

１月25日

第18回四次元サロン

JRCM会議室

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第183号

発 行
発行人
発行所

所

担

当総務企画部

備考㈱中山製鋼所 常務取締役 倉橋隆郎氏

2002年１月１日
小島 彰
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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