先進ナノ構造・状態解析共用拠点(北海道大学)
柴 山 環 樹1) 松 尾 保 孝1) Agus Subagyo2)
坂 口 紀 史2) 渡 辺 精 一1)(北海道大学微細構造解析プラットフォームチーム)
いは学部共用施設の円滑な運営のための共同利用施設等管理.

は じめに規程を制定した．それらは，国立大学法人化以降も引き続き学内共同利用施設として運用され，現在では，利用者の所属

北海道大学における透過電子顕微鏡を利用した研究は，機関を分類して各種利用料金が制定され，学外の研究者へも1942 年まで遡る．第二次世界大戦後，国内における透過電広く開放し，産学官連携研究に貢献している．また，当時の子顕微鏡の研究開発が再開され市販が開始されると昭和 23

国立大学附置研究所が全国大学共同利用施設として年度ごと

年に本学工学部に日立製作所の HU4 型(加速電圧 5 万ボルに利用課題を募集し，採択された申請課題に対して予算を付ト，分解能 3 nm)が設置された．当時，この貴重な透過電子与し，研究者自身の自己資金も充当して共同利用出来るシス

顕微鏡を全学で共同利用するために電子顕微鏡管理委員会がテムを構築し現在も継承している．そのシステムを利用した直ちに設置されたことが，現在の共用の精神の礎になっていことがある教員や携わっているあるいは携わっていた教員がると言えよう．その後，それぞれの用途に応じた性能を有すいることも共用化を進める上で有利となったと考えている．

る電子顕微鏡が各学部に導入されて様々な分野で利用されてその様な背景の下，文部科学省が進める大学や研究機関が保いる．例えば，医学部や歯学部では生命科学の研究に臓器や有する研究設備の共用化を推進して産学官の幅広い利用に供骨，歯などの生体組織の切片やウイルスの微細構造解析が行することにより，イノベーションにつながる成果を創出するわれている．農学部や理学部などでは生物や植物あるいは鉱ことを目的としたナノテクノロジーに関する共用基盤ネット物等の微細構造解析の研究に用いられている．本学の研究者ワークに参画することとなった．北海道大学は， 2007 年度

らは，国内における電子顕微鏡の研究開発の創成期においから始まった第二期の「ナノテクノロジーネットワーク」のて，民間企業との共同研究を積極的に進め，現代のカスタマ実施機関として認定して頂き，第三期の「ナノテクノロジーーフィードバックやユーザーフレンドリーのさきがけになっプラットフォーム」に引き続き実施機関として認定され，現たことも特筆すべきである．本学は，立地環境や地理的なこ在に至っている．本稿では「微細構造解析プラットフォーム」とも含め，近隣で分析機器を貸し借りするようなことは容易

における産業界の利用成果などを織り交ぜながら機器の紹介ではなかったため，当時から研究設備を積極的に共同利用しを行い，今後，読者が北海道大学のナノテクノロジープラッて運用してきた．そのため，学内に設置された電子顕微鏡をトフォーム(以下，ナノプラとする．）で提供する微細構造解

始め研究室では単独で購入して維持が難しい分析機器や大型析機器の共用利用の一助となれば幸いである．

実験装置を共用し維持する文化が育まれていた．そこで大学
では，半世紀以上前の 1963 年には，全学共同利用施設ある

北海道大学大学院工学研究院1)教授 2)准教授(〒0608628 札幌市北区北13条西 8 丁目)
北海道大学電子科学研究所1)教授 2)特任助教(現北海道大学大学院情報科学研究院特任准教授)
Advanced Characterization Nanotechnology Platform of Nanotechnology Platform Japan Program in Hokkaido University: Hokkaido
University Team of Advanced Characterization Nanotechnology Platform of Nanotechnology Platform Japan Program; Tamaki
Shibayama, Yasutaka Matsuo, Subagyo Agus, Norifumi Sakaguchiand Seiichi Watanabe(Faculty of Engineering, Hokkaido
University, Sapporo, Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University, Sapporo)
Keywords: fesem(fieldemission scanning electron microscope), spm(scanning probe maicroscope), afm(atomic force microscope), stm(scanning tunnel microscope), hvem(high voltage electron microscope), xps(xray photoelectron spectroscope), peem(photo emission electron microscope), fib(focused ion beam), csstem/eels(cs correctedscanning transmission electron microscope/electron energy loss spectroscope)
2019年 8 月 7 日受理[doi:10.2320/materia.58.758]



特集

ず，超高真空環境や試料表面の清浄化などの前処理が不可欠.


北大ナノプラの施設と機器の紹介支援分野と支援体制についてである．スピン分析には，独自に開発した阻止電極型 Mottスピン分析器を用いている．低加速電圧で動作する本分析器は，従来型のものより小型で，既存の SEM などへの搭載も北海道大学の微細構造解析プラットフォームでは，以下の容易である．ただし，分析器の性能指数は，高加速電圧型の3 つの領域に重点を置き支援を行っている．一つ目の支援領

ものよりも劣るため，空間分機能などは制限を受けることと域は，表面構造で，主として走査型電子顕微鏡や走査型プロなる．

ーブ顕微鏡による微細構造解析である．二つ目の支援領域

その他に，高い時間分解能を有する光電子顕微鏡(以下，は，内部構造・3D 構造で，試料を集束イオンビーム加工装PEEM とする．）並びにオージェ電子分光装置(以下， AES

置等で薄片化し透過電子顕微鏡による高分解能観察やトモグとする．），X 線電子分光装置(以下，XPS とする．）を利用す

ラフィーによる 3D 構造の解析である．三つ目の支援領域

ることが可能である．

は，電子状態分析の観点からナノ～マイクロメートルオーダ

二つ目の支援領域である内部構造や 3D 構造観察には，照ーにわたる材料・デバイスの分析・評価で，最先端の透過電射系と結像系の電子レンズの球面収差(以下，Cs とする．）補子顕微鏡に附属する分光装置や X 線光電子分光装置等の各正装置を備え付けた STEM や，後述する超高圧電子顕微鏡種分光装置による電子状態分析である．以上三つの分野を単を用いた支援を実施している．そのための TEM 薄片作製の独であるいは各分野を横断した複合領域に対して研究支援をためのデュアルビーム FIB も有している． 1,250 kV の高い行っている．

加速電圧を有するマルチビーム超高圧電子顕微鏡には，2 台

本学のナノプラ機器を初めて利用しようと思いたったら，のイオン加速器やレーザー照射装置と分光装置が備え付けら

ナノプラのイエローページ(1)あるいは本学のナノプラホームれている，イオン注入による材料の改質や半導体のドーピンページ(2)から気軽にお問合せ下さい．利用できる設備などのグによるルミネッセンスの変化を微細構造観察しながら同時情報も掲載されているので参照いただきたい．にその場分光することが可能である．また，高エネルギーの

ナノプラ共用機器の特徴について先に述べた 3 つの領域別に共用機器をそれぞれのカテゴリーごとに概説する．

電子により生じるフレンケル欠陥を積極的に利用して，原子力材料や宇宙線にさらされる人口衛星などの機能材料の基礎研究にも有効である．また，原子炉の中性子照射では放射化により実験が可能になるまで長期間の冷却が必要であるが，一つ目の表面構造の微細構造解析には， SPM あるいはマルチビーム超高圧電子顕微鏡では放射化の心配が無く，損FE SEM が適している．本学の SPM は，真空下にて液体傷速度も速いので，照射欠陥のシミュレーションや新しく開He で 4.2 K まで冷却可能である．また，垂直磁場 8 T ，水発中の原子力材料のスクリーニングには最適である．更に，平磁場 2 T での観察が可能で勾配磁場を印加することも可加速電圧が高いことにより厚い試料の観察が可能なことや，能な特徴のある SPM が設置されている．更に，試料表面を軽元素で構成される生物や植物等の試料の観察にも有用であ清浄にするための Ar イオンスパッタ装置を装着し，真空下る．これは，透過能が高いため非弾性散乱の影響が低減されで 1,200 K まで加熱することが可能なことから半導体や磁性て，結果として冷却ホルダーを使用しない場合でも試料の温体薄膜の表面の微細構造と機能や物性について評価すること度上昇が抑制されて汎用 TEM と比較して試料の損傷が少なが可能である． FESEM には，後方散乱電子による菊池図く観察が容易になる．

形から方位を決定することが可能な Electron Back Scatter

三つ目の電子状態計測に関しては，高いエネルギー分解能diffraction (電子後方散乱回折，以下 EBSD とする．）が装備を有した XPS による支援を実施しており，多くの利用者にさ れ ， 結 晶 方 位 の マ ッ ピ ン グ や Oxford 大 学 の A. J.

用いられている．しかしながら， XPS では X 線を照射したWilkinson 教授が開発した残留弾性歪みの解析コード(Cross

領域の平均的な情報であるため，ナノスケールの微細構造とCourt 法)を利用して，結晶粒界近傍の残留弾性歪みの成分対応した局所領域の化学結合状態を調べる目的には適さなが圧縮か引張かについて評価しそれらを SEM 像上にマッピい．そこで， Cs 補正装置付きの STEM / EELS が注目されングして可視化することも可能である(3)．他には無い特徴のている． Cs 補正装置とモノクロメーターによって単原子サある微細構造解析機器として，本学と企業により共同開発しイズ以下まで電子ビームを絞ることが可能で，高性能なたスピン偏極 SEM(4)(以下 SpinSEM)が共用可能である．

EELS が備え付けられていることから非常に利用者が多い．

Spin SEM は，一次電子線の照射により放出される二次電これらの利用に際しては，以下の様に対応している．微細子のスピン偏極度を分析することで，通常の SEM 像(形状構造解析機器を利用したことが無い研究者に対しては，初回像)と同時にスピン像を取得する装置である．そのため，試講習を設け機器操作のトレーニングを行っている．一方で，料表面の漏洩磁場や磁場勾配を測定する磁気力顕微鏡

継続的な利用予定が今後なくスポット的に微細構造解析のデ(MFM)とは異なり，磁区構造を直接反映した画像を測定すータが必要な場合には，研究者と十分な打合せを行い，本学ることができる．ただし，二次電子を分析する必要があるたの職員が機器を操作してデータを取得する技術代行という利め，試料表面のコンタミネーションに留意しなければなら用料金も設定している．この場合は，人件費等に相当する費

ま て り あ 第58巻 第12号(2019)
Materia Japan

用を加味しているため，通常の利用料金よりも高額である．

化物ナノワイヤの合成と構造解析」においてナノプラの利用

更に，機器を自身で操作したいがデータを取得するための最者らが新奇に合成した結晶性 Mo Te 酸化物および結晶性適な実験条件を見出すのが難しい場合や，比較的長い期間をMoSe 酸化物ナノワイヤの微細構造解析を支援した図に設けて徐々に習熟することを計画する場合は，技術補助とい示す結果がトップジャーナルに公表され(8) ， 2016 年の文部

う通常の利用料金と技術代行の中間の金額の利用料金を設定

科学省ナノテクノロジープラットフォームの秀でた成果としし，利用者の利便性に配慮している．詳細な各種利用料金にて表彰されている．

ついては，ホームページを参照されたい(5)．

以下に 技術支 援の 具体 例につ いて 紹介す る．図 は ，〈100〉シリコン単結晶表面の(a) SEM 像，(b)垂直方向(ezz).

支援例についての残留弾性ひずみマッピング像と 6.4 MeV の Fe3＋ イオン
を 1.0× 1016 ions/ cm2 まで照射後の( c ) SEM 像，( d )垂直方

この章では，学外の研究者の方々が本学のナノプラを利用向(ezz)の残留弾性ひずみマッピング像である(9)．SEM 像中して得られた成果の内，論文として公表されている課題の中

央のくぼみは，イオン照射による表面の照射硬化による破壊から許諾を得られたものを支援例として紹介する．本学でによるクラックの進展を評価するためビッカース硬さ試験機

は，毎年 90 件を越える課題を受付け，前述した 19 台の微細による圧痕である．残留弾性ひずみは，ひずみの無いあるい構造解析機器を利用して最先端のナノテクノロジー研究に携は少ない場所を参照点としその場所との比較を逐一行い算出

わる研究者の要求に応えるべく微細構造解析の支援を行っている．北海道内の大学や公設試からの利用に加えて道内外の民間企業からの利用が有り， 2018 年度で 56 機関からの利用を受け付けている．ナノプラでは，利用成果に関して原則公開とし，知財の関係で公開を猶予する場合も期間を設定して後日公開しているため，民間企業からの利用もし易い．その内訳は，素材メーカーなどの BtoB 企業と消費者向けの製品を研究開発している総合電機メーカーや自動車会社など多岐に渡っている．直接，企業の研究者が来学されて機器を利用する場合の方が技術代行での利用より多い傾向である．また，ナノプラで最先端の機器を共用したことを契機に，本学と共同研究や受託研究の契約を結び自主事業に移行する場合も最近は見受けられ，ナノプラが大学における産学連携研究のトリガーとしての重要な役割も担っている．例えば産業界
では， 2018 年 4 月 17 日に日立金属株式会社と株式会社日立製作所の研究開発グループが共同で開発した金属 3D プリン
ターに適した金属粉末を用いて，ハイエントロピー合金(HiPEACE)の 3D 造形に成功したことがプレスリリースされたが，その研究開発段階においてナノプラの微細構造解析が役立っている(6)(7)．また，基礎研究分野では「複合金属酸図1



図 2 〈 100〉シリコン単結晶表面の( a ) SEM 像，(b )残留 弾 性 ひ ず み マ ッ ピ ン グ 像 と 6.4 MeV の Fe3＋
イ オ ン を 1.0 × 1016 ions / cm2 ま で 照 射 後 の ( c )SEM 像，(d )残留弾性ひずみマッピング像(9) (オンラインカラー)

MoTe 酸化物および MoSe 酸化物の HRTEM 像，および多面体構造図(8)．
Figure 1 Comparison of polyhedral structural images with HRTEM images. (a) MoTe oxide, scale bar, 5 nmand (b) MoSe oxide, scale bar, 5 nm. Insert images: power spectra. ``Z. Zhang, T. Murayama, M. Sadakane,
H. Ariga, N. Yasuda, N. Sakaguchi, K. Asakura, W. Ueda, Nature Communications, 6 (2015), 7731; licensed
under a Creative Commons Attribution (CC BY) license.'' (オンラインカラー)

特集

図4

FIB 加工したフレークボール形状タングステン酸ビスマス粒子( W / Bi ＝ 0.55 )の( a )上部 SEM像，(b)断面 SEM 像(12).

図5Spin SEM で 取 得 し た 形 状 像 ( 左 ) と ス ピ ン 像(右)(13)．

図 3 〈100〉シリコン単結晶表面に75メッシュグリッドを被せて He＋ イオンを 1.03×1017 ions/cm2 まで照射した( a ) SEM 像(白い矩形の領域が照射領域)，(b)照射領域と非照射領域界面の SEM 像，( c ) exx 残留弾性ひずみマッピング像，( d ) eyy 残留弾性ひずみマッピング像，( e ) ezz 残留弾性ひずみマッピング像(10) (オンラインカラー)

した値を使用してマッピングした．赤が引張，青が圧縮の残留弾性歪みで色が濃い方が大きい．非照射のシリコン単結晶は，表面を鏡面加工したままのため図 1( b)から表面全体が垂直方向( ezz )の圧縮の弾性ひずみが残留していることがわかる．一方，イオン照射した試料の場合， Fe3＋ イオンが格子間に侵入したりシリコン原子と置換したりすることによって格子間が伸長し結果として引張の弾性ひずみが残留していることがわかる．また，照射硬化によって圧痕は小さくなり塑性変形によりくぼんだエッジの周りには tetoragonal dis-粒子( W / Bi ＝ 0.55 )の( a )上部 SEM 像，( b )断面 SEM 像でtortion により引張の残留弾性ひずみが局所的に大きくなっある． FIB 加工によって内部の構造を詳細に観察すると共ていることがわかる．図は，〈100〉シリコン単結晶表面にに超高圧電子顕微鏡による粒子の TEM 像の白黒コントラス

75メッシュグリッドを被せて He＋ イオンを1.03×1017 ions/

トから LambertBeer の法則を用いて電子ビームの吸収を評

cm2 ま で 照 射 し た ( a ) SEM 像 ( 白 い 矩 形 の 領 域 が 照 射 領

価しシミュレーションと比較検討することによって中空構造域)，(b)照射領域と非照射領域界面の SEM 像，(c) exx 残留であることを明らかにした(12)．

弾性ひずみマッピング像，( d ) eyy 残留弾性ひずみマッピン

Spin SEM を 用 い て 観 察 し た 様 々 な 形 状 の パ ー マ ロ イ

残留弾性ひずみマッピング像である(10)．照射( Ni80Fe20 )薄膜パターンの Spin SEM 像を図に示す(13) ．

欠陥の蓄積やブリスターの形成によりシリコン単結晶表面が両画像は同時に測定されたもので，左が形状像，右がスピン盛り上がっている．そこで，照射領域と非照射領域の界面の像である．形状像中央に見える半円の直径が 20 mm ． Spin

グ像，( e ) ezz

残留弾性ひずみを解析すると， exx (紙面の横方向)と eyy (紙検出軸は面内で，破線で示す y 軸から 20°回転した方向にな面の縦方向)では引張の残留弾性ひずみが ezz (紙面に垂直方っている．中央部に放射状に広がる矩形のパターンに注目す向)では圧縮の残留弾性ひずみ存在していることがわかっると，形状像では一様のコントラストを示しているが，スピた．これは，照射領域の体積膨張により exx(紙面の横方向)

ン像では中央部のパターンが他の物より明るくイメージされと eyy(紙面の縦方向)では引張となり，界面では非照射領域ていることがわかる．スピン検出方向が， y 軸から 20 °回転が照射領域の体積膨張により圧縮されることになったためとした面内方向(図中の破線で示す)であることを考慮すると，考えられる． ezz (紙面に垂直方向)の照射領域が引張の残留矩形パターンの長手方向の磁区がイメージに反映しているこ

弾性ひずみを示さなかったのは，ブリスターの破裂が所々観とがわかる．また，半円状パターンの内部にも磁区が存在し察されたことから残留ひずみが開放されたためではないかとていることがわかる．

考えられる．また，EBSD による Cross Court 法だけでなく図は，本学の微細加工プラットフォームの支援を受けてラマン分光と組み合わせてイオン照射された表面の局所的なピンホールレス，且つナノレベルの膜厚制御が可能な原子堆

弾性残留ひずみの評価が最近試みられている(11)．

積法(Atomic Layer Deposition: ALD)により成膜した Al2

FIB による断面観察と超高圧電子顕微鏡の高い透過能をO3/TiO2 積層膜の STEM および EDX マッピング像(a)各層組み合わせてフレークボール形状タングステン酸ビスマス粒

1 nm ， ( b ) 各 層 2 nm の STEM ( JEM ARM 200F ) お よ び

子の複雑な構造の解析支援例について紹介する．図は，

EDX マッピングである．EELS 測定(OK1)と共に電気的特FIB 加工したフレークボール形状タングステン酸ビスマス性の評価結果と比較検討することによって成膜条件の最適化

ま て り あ 第58巻 第12号(2019)
Materia Japan

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文

図6

Al2O3 / TiO2 積層膜の STEM および EDX マッピング像．( a )各層 1 nm ，( b )各層 2 nm の STEM
および EDX マッピング(14)．(オンラインカラー)が出来た．この成果は，文部科学省ナノテクノロジープラッ
トフォーム2019年度秀でた利用成果に選ばれた(14)．
その他にも多くの優れた成果が得られているが紙面の関係で詳しくはホームページに公開されている成果報告書を参考にされたい．

.

お わりに微細構造解析に初めての方にもわかりやすく記述することを心がけたつもりですが，紙面の関係で十分に紹介出来ていないことも多いかと思いますので，近い将来ナノプラを利用してみようと思った方々は，ホームページ(1)(2)を是非ご覧頂
き，ナノプラ利用に際してご不明な点は，メイル等を通じてお気軽にお問合せ下さい．一方，ナノプラの共用機器と相互補完的に，その他の研究機器についても本学独自の共用プラットフォームであるオープンファシリティや文部科学省の先献( 1 ) https://www.nanonet.go.jp/yp/( 2 ) http://www.cris.hokudai.ac.jp/cris/nanoplat/( 3 ) T. B. Brittona and A. J. Wilkinson: 111(2011), 1395
1404.
( 4 ) http://www.cris.hokudai.ac.jp/cris/nanoplat/facility/( 5 ) http://www.cris.hokudai.ac.jp/cris/nanoplat/charge/( 6 ) T. Fujieda, H. Shiratori, K. Kuwabara, M. Hirota, T. Kato, K.
Yamanaka, Y. Koizumi, A. Chiba and S. Watanabe: Mater.
Lett., 189(2017), 148151.
( 7 ) T. Fujieda, M. Chen, H. Shiratori, K. Kuwabara, K.
Yamanaka, Y. Koizumi, A. Chiba and S. Watanabe: Additive
Manufacturing, 25(2019), 412420.
( 8 ) Z. Zhang, T. Murayama, M. Sadakane, H. Ariga, N. Yasuda,
N. Sakaguchi, K. Asakura and W. Ueda: Nature Communications, 6(2015), 7731.
( 9 ) R. Sekiguchi: Master's thesis, Graduate School of Engineering,
Hokkaido University (2017).
(10) Y. Takeda: Master's thesis, Graduate School of Engineering,
Hokkaido University (2018).
(11) S. Yang, S. Tokunaga, M. Kondo, Y. Nakagawa and T.
Shibayama: Appl. Surf. Sci., (2019), accepted.
(12) M. Hori, M. Takase, M. Takashima, F. Amano, T. Shibayama
and B. Ohtani: Catalysis Today, 300(2018), 99111.
(13) H. Hosoi et al.,: private communications(14) Nanotech Japan: Bulletin, 12(2019), 3.
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柴山環樹
1992年 3 月 北海道大学大学院工学研究科博士後期課程修了．
1992年 4 月 東北大学金属材料研究所現職
2015年 4 月 北海道大学大学院工学研究院教授
専門分野超高圧電子顕微鏡を用いたその場観察，量子ビーム照射効果◎化合物半導体基板と不動態酸化皮膜界面の微細構造と界面準位の相関に関する研究の後，低放射化原子力材料の研究開発に従事．現在は，その場観察とオペランド構造解析技術や分析技術を中心に活動．

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端研究基盤共用促進事業(新たな共用システム導入支援プログラム)と密接に連携を取っており，利用者の研究の進捗状況に合わせて適切な微細構造解析機器の選択に関する相談も行っています．また，利用者が集中する時期には相互に予約状況を鑑みて利用者を振り分けることによって，研究者の利柴山環樹

松尾保孝

Agus Subagyo

坂口紀史

渡辺精一

便性を向上させると共に，稼働率の向上に貢献しております．



特集