本記事は , 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 技術スタッフ表彰について紹介するものです .

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム 令和元年度技術スタッフ表彰 若手技術奨励賞

FIB-SEM を用いた微細構造解析支援受賞者 北海道大学 微細構造解析プラットフォーム 遠堂 敬史氏に聞く
文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業
では，全国 37 の研究機関で最先端ナノテクノロジー設備の利用機会を設備使用のノウハウとともに，産学官の研究者に対して提供している．最先端研究設備の有効利用には，設備の特徴を熟知して整備し，利用者に使用ノウハウを提供する技術支援スタッフの存在が大きな支えになっている．令和元年度の若手技術奨励
賞は，北海道大学の微細構造解析プラットフォーム（PF）高度専門技術者，大学院工学研究院 共同利用施
設 ナノ・マイクロマテリアル分析研究室の技術職員，遠堂敬史（えんどう たかし）氏に贈られた [1]．受賞
テーマは「FIB-SEM を用いた微細構造解析支援」である．表彰式は第 19 回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議（nano tech 2020）セミナー会場で行われ，受賞内容はナノテクノロジープラットフォームのブースに展示された．nano tech 2020 が開かれた東京ビッグサイトの一室で，遠堂氏に受賞した技術の内容，支援の状況，今後の抱負など，苦労話も含めお話を伺った．

展示パネル前で若手技術奨励賞の表彰状を手に遠堂氏（2）内部構造・３D 構造解析；

１．北海道大学 微細構造解析プラット
フォームの概要

2 台の高エネルギーイオン加速器を持つ世界に唯一北海道大学の微細構造解析 PF は，図 1 に示すようにえて試料加工装置と組合わせた集束イオンビーム -「先進ナノ構造・状態解析の共用拠点」と位置づけ，学内走査型電子顕微鏡（FIB-SEM）等による内部構造・3外の研究者が最先端の計測設備を利用できる [2]．無機材

次元構造解析

料から生体組織に至る多様な試料を対象とし，試料表面（3）電子状態解析；から内部まで一貫した構造解析支援を行っている．設備・環境セルホルダーを用いたその場観察 TEM や，超支援業務は，大きく以下の 3 分野に分けられる；

高真空・極低温・強磁場 SPM を用いた環境制御下の超高圧（1000kV）電子顕微鏡，透過型電子顕微
鏡（TEM），走査透過型電子顕微鏡（STEM），に加での分析支援，超高速時間分解光電子顕微鏡や高速（1）表面構造解析；

スペクトルイメージング対応レーザー共焦点顕微鏡

走査型電子顕微鏡（SEM），走査プローブ顕微鏡（SPM），等を用いた電子状態やナノ材料のリアルタイム動態

X 線光電子分光装置（XPS），オージエ電子分光装解析

置（AES），電子線プローブマイクロアナライザー（EPMA），等の表面分析装置による表面構造解析

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北海道大学の微細構造解析 PF では，図 2 上に示すよ文部科学省ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ

令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-1

図１

北海道大学 微細構造プラットフォームの概要 [2]うに毎年約 100 件の利用がある．図 2 中央の円グラフは利用ユーザの所属割合で，約 6 割が学外であり，他大学が 3 割，企業が 2 割，公的機関の利用が 1 割となっている．図 2 下の円グラフは利用形態別の割合で，機器利用が 73% を占め殆どであるが，技術代行も 14％と道内の遠く離れた機関の場合は多い．技術代行の場合でも，最初の解析はユーザーと PF スタッフが一緒に測定・解析を行い，次に解析する試料は郵送してもらってスタッフが測定評価している．
初めて PF を利用する場合には，利用料や旅費などを支援する試行的利用制度 [3] を使ったユーザもいる．時間や費用の事前見積りが難しい案件や，これまでに取り扱ったことがない試料・分析手法を用いる案件などが対象で，PF の支援者側にとってもメリットがある制度である．
「挑戦的な案件に，支援者として積極的に取り組むことで，スキルアップできる機会になっている．
」と遠堂氏は語った．

２．FIB-SEM と遠堂氏の支援実績
２．
１

FIB-SEM 装置の構造と原理

遠 堂 氏 が 担 当 し て い る 装 置 は，SEM，EPMA，TEM，FIB-SEM の 4 台 で， 年 間 30 件 程 の 支 援 を 行 っ て い る．
今回の受賞対象装置である FIB-SEM（Focused Ion BeamScanning Electron Microscope，集束イオンビーム加工・SEM 観察装置）は，試料に Ga イオンを打ち込んで，試料を切削する（穴を掘る，薄層を削り取る）加工装置で，加工した状態を SEM 観察できる．SEM 観察画面上に，加NanotechJapan Bulletin Vol. 13, No. 2, 2020

図2

北海道大学 微細構造プラットフォームの支援件数推移（上），ユーザ所属割合（中），利用形態別割合（下）文部科学省ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ

令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-2

工したい部分を指定すると，指定された部分が自動的にの他，X 線，後方散乱イオンなど様々なものが発生する．

加工される．加工深さは，Ga イオン照射強度や照射時間発生した電子，X 線，イオン，等を，図 3 右の写真に示で制御する．加工と観察を繰り返して，試料内部の 3 次した複数の検出器で検出することにより，FIB は加工装置元構造を解析することが可能である．

であるとともに画像観察装置にもなる．FIB-SEM では二

図 3 は，FIB-SEM 装置の外観（左）と，試料室内部を次電子の検出器を SEM と併用する．

横から撮影した拡大写真（右）である．FIB-SEM は図 3（右）SEM は，ショットキー型 FE（電界放射）電子銃からの上部に一部が見えている FIB と SEM の二つの鏡筒を持ち，細い電子線を 0.2 〜 30kV の電圧で加速する．加速電圧

SEM は電子線を試料に照射して放出された二次電子を検30 kV における画像の分解能は 1.2nm である．SEM は以出，電子線を走査して画像化する．図 4 は FIB 鏡筒の構下の 4 つの検出器，およびオプション機能を持つ．FIB で造（右）と，Ga イオンを照射した試料表面部を拡大して，薄層を反復して削り，その都度，取得した SEM 画像のデー試料が削られてスパッタリング原子が飛び出すほか，試タを集積して，画像解析する事により 3 次元画像を構築

料表面から二次電子ほかが発生する様子を描いている（左できる．FIB 加工と SEM 観察とを同一試料室内で行うので，下）．Ga イオンが上方から加速集束されて試料に照射さ大気非暴露の観察ができる．

れると，試料表面からは二次電子やスパッタリング原子

図3

FIB-SEM の外観（左），試料室拡大写真（右）と，仕様表（下）図4FIB-SEM の構造（右）と照射試料面から発生する様子（左下）NanotechJapan Bulletin Vol. 13, No. 2, 2020

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令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-3

① SED（Secondary Electron Detector） は， 試 料 か

SEM 装置でどんな加工・観察・解析ができるのかを，遠ら放出された二次電子を検出し，試料表面の SEM堂氏が担当した支援事例の中から，4 つに分類して示して画像を形成する．

いる．

② EDS（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）は，電子線照射による発生する特性 X 線を検出し，エ（1）試料断面の観察・元素分析；ネルギー分光することで元素分析する．

金メッキした試料のメッキ不良部の断面を観察する③ EBSD（Electron Back Scattered Diffraction

ために，FIB で試料を切削していって不良部の穴のPattern）は，電子線照射した試料の結晶面から断面を切り出し（左白黒写真），直ぐに EDS スペクの後方散乱回折電子パターンを検出し，試料内部トルから切削断面の元素マッピングした例であるの結晶方位分布を解析する．

（右カラー写真）．Ni の層に，Au が穴に沿って入っ④ BEI（Backscattered Electron Imaging） は， 照 射ている．

電子がエネルギーをほとんど失わずに試料外に後（2）TEM 観察用 薄膜試料作製；

方散乱されたものを検出し，原子番号・試料面角

Si 基板上の量子ドット試料に対して，TEM 観察用に度依存性がある組成像，凹凸像として利用される．

50nm 厚さまで試料を薄く加工した例である．
（3）3 次元結晶方位解析；

FIB から放出されたイオンを 1 〜 30kV の電圧で加速し，ステンレス鋼の破断試料に対して，結晶面が (111)試料の切削加工を行い，二次電子を検出して画像化する．

面（青色）と (001) 面（赤色）が交互に積層して，像の分解能は加速電圧 30kV において 5nm である．図 3

どのようにつながっているかを，FIB 加工（50nm下の仕様表に示したように，カーボン（C）やタングステ毎のスライス ) と SEM 観察を繰り返して 3 次元化ン（W）の保護膜を試料表面に蒸着成膜する機能がついした例である．結晶方位は EBSD のカメラで撮像し，ている．FIB 加工する前に，Ga イオンビームによるエッ回折像解析ソフトウェアで結晶面向きをマッピング

チングを防ぐために，加工部周辺の表面に保護膜を蒸着している．3 次元化には連続 72 時間かかるが，測しておく．

定評価は自動化されている．EBSD による 3 次元結
晶方位解析は，3.3 節でも紹介する．

２．
２（4）大気非暴露観察・分析；

FIB-SEM 装置の利用事例

Li 系の試料を大気に暴露することなく，TEM 観察・

上 述 の FIB-SEM 装 置 の 機 能 に つ い て， 図 5 は，FIB-

図5

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分析ができる．

FIB-SEM の利用事例

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令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-4

間空隙フリーを目指してプロセス改善と FIB-SEM 観察を

３．
１

３．FIB-SEM を用いた微細構造解析支援
事例

3 年間にわたって継続し，原料粉末内の粗粒子を徹底排除

支援事例 1：超硬合金の断面観察・元素分析 [4]硬合金の FIB 加工ノウハウを蓄積することができ，支援

北海道内の企業で，放電プラズマ焼結装置でナノ粒子することが重要と判明した．「高品質の超高合金製品とすることに貢献したとともに，微細構造解析 PF としても超範囲を広げることに繋がっている」と遠堂氏は振り返った．

を焼結して超硬合金を作っている企業が利用者である．
超硬合金の一部に，強度が弱い部分が出てきてしまう問題があり，材料表面だけでなく内部を高解像度で観察し３．２[6][7]

支援事例 2：骨組織細胞群の 3 次元構造観察 [5]たい，という要望があった．
当初は試行的利用制度を利用して，FIB-SEM で内部を学内の医学系の先生からの依頼で，骨組織のナノレベ観察してみることにした．鋳型用に作られた超硬合金のル微細 3 次元構造解析を支援した事例である．生物系のため，極めて固く，加工に長時間を要したが，内部観察試料を対象にするもので，FIB-SEM での解析に適した試に成功した．図 6 が，その結果である．放電プラズマ焼料作製方法から検討しなければならず，先ずは試行的利結した超硬材料（平均粒径 0.2μm の炭化タングステン）の表面研磨した面には研磨加工傷が見られるが（図 6 左用制度を利用してスタートした．

上），FIB 加工して研磨面から 50μm 彫り込んだ側壁面を観察すると焼結体として粒子が相応の結合状態になって脱灰・染色・脱水処理した後に，エポキシ樹脂で包埋した．

いる（図 6 左下）．ただ一方で，焼結された組織間の粒径観察して 3 次元加工・観察する領域を決定した．加工領差が著しいごく一部の箇所に 0.1μm 程の粒子間空隙がある事がわかった（図 6 右下）．

域に保護膜を施してから，加速電圧 30kV で Ga イオンをそこで，試行的利用から本格的利用に移行して，粒子観察を連続して繰返した（シリアルセクショニング）．

図6

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試料はマウスの脛骨（下肢の内側にある長い骨）で，ウルトラミクロトームで試料表面を滑沢にした後，SEM照射して 50nm 間隔でスライス加工と，SEM による断面超硬合金の FIB-SEM による内部断面観察 [4]文部科学省ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ

令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-5

図 7 左は，FIB-SEM 装置を用いてシリアルセクショニ

どが黒くなっており，試料を樹脂で埋設して固定した部ング法で撮像した SEM 像を 3 次元構築ソフトウェアで分である．黒い領域の中に，良く見ると白い線が所々に再構築して得た 3 次元構造解析画像（３D 解析した領域出ている．これは，細胞突起のネットワークがその断面は 25 × 20 × 20μm）である．図 7 右は，FIB スライス加工した断面からの SEM 像で，スライス加工を 350 回でぶつ切りされて出現しているものである．シリアルセ繰り返して行った毎に撮像した SEM 像を重ね合わせたも細胞突起のネットワークは黒い樹脂に覆われてしまい，のである（右下の白色棒は 5μm）．写真右側や左下の塊が骨細胞（osteocyte），写真上部に見えるのが骨芽細胞ネットワーク構造は解析できない．「顕微鏡学会の分科会（osteoblast），それらの間を連結する細かな細胞突起の題に直面していました．その課題解決には，画像から切ネットワークである．こうした骨細胞や骨細管系の 3 次り出したいところを丁寧に手でなぞるのが，結局一番き元構造の解明は，骨細胞のミネラル代謝調節などの機能れいに再構成できる」と，遠堂氏は意を決した．

クションして得た 350 枚の SEM 写真を重ねただけでは，に参加したところ，学会の同業者たちが皆同じような課

そこで，遠堂氏は 1 枚の SEM 写真に対して，ペンタを解明するうえで非常に有益な情報を与える．
図 7 のような 3 次元構築像を得るには，実は PF 支援ブレットを使って手作業で白い細胞突起部を切り出して，者の並々ならぬ努力，辛抱強い作業の積み重ねがあった．

それらを 350 枚にわたって接続することで，細胞突起の図 8 で，その作業を説明する．図 8 左は，FIB 加工した3 次元ネットワーク構造を再構築した．図 8 右がその結断面スライスを SEM 観察した像を 3 枚だけ重ねている．

果であり，写真中央部に，細胞突起の 3 次元ネットワー

各写真の左上に骨細胞が見える．各写真の中央部は，殆ク構造が明瞭に見える．350 枚のセクションスライス

図7

マウス骨組織の FIB-SEM シリアルセクショニング法による内部構造の可視化 [7]図8

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骨組織の断面スライス SEM 像（左）と３D 構築像（右）[7]

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令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-6

SEM 像を取得するのは，自動化されているので丸 1 日あと，各粒界の結晶方位を回折パターンから解析した方位ればできる．しかし，手作業での SEM 像処理を 350 枚にマップを得る．方位マップは電子回折パターンから自動対して行うには，桁違いの時間と辛抱強さが要求される．

解析ソフトウェアで，(111) 面を青色，(001) 面を赤色，骨組織細胞群の 3 次元構造解析は，こうした PF 支援者の等とカラーでマップ表示される．

苦労と汗の結晶であることがわかった．

北見工大からは，Si 基板上に酸化亜鉛 (ZnO) のナノロッド（量子ドット）を結晶成長した試料に対して，各ナノロッ

３．
３

支援事例 3：ナノロッドの結晶方位解析 [8]ドの成長が結晶方位として揃っているのか，どんな様子かを明らかにしたい，との要請があった．

北見工業大学の先生から，ナノロッドの結晶成長方位

図 10 左は，酸化亜鉛のナノロッドを試料に対して正面を解明する研究の支援を求められた．北見は札幌から遠から観察した SEM 像で，六角形のロッド断面構造が見ら距離であり，本支援も試行的利用制度に応募して始めた．

れる．写真右上は，試料の断面 SEM 写真で，Si 基板からFIB-SEM 装置には，電子線後方散乱回折（EBSD）測定

ナノロッドがほぼ垂直に成長している様子が見られる ( 目装置が組み込まれており，結晶方位の解析ができる．
図 9 は，電子線後方散乱回折法（EBSD）の測定原理（左）盛尺は 1μm）．この試料に対して EBSD 測定して，一つ一つのナノロッドの結晶方位を評価した結果を，極点図とと，Ni 試料の結晶方位を解析した例である．試料からのして表現した結果が図 10 右である．極点図は各ナノロッ

後方散乱電子は，試料を構成する結晶からの回折電子パドの結晶方位分布を，六方晶の底面である (0001) に対しターンとして CCD カメラで検出される．試料に入射するて，結晶成長が Si 基板に垂直になっている場合が，極点電子ビームをスキャンすることで，図 9 右の粒界マップ図の中心になるようにし，垂直から傾くと TD（Transverse

図9

電子線後方散乱回折法（EBSD）による Ni 結晶方位解析

図 10 酸化亜鉛ナノロッドの結晶成長方位解析；
SEM 正面像（左），SEM 断面像（写真右上），結晶方位極点図解析結果（右）[8]NanotechJapan Bulletin Vol. 13, No. 2, 2020

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令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-7

Direction）横方向，あるいは RD（Rolling Direction）圧

細構造解析 PF：http://www.cris.hokudai.ac.jp/cris/

延方向にプロットしたものである．色分けは，青色が低nanoplat/頻度，赤色が高頻度で，赤色は青色より 10 倍以上頻度が高いことを示している．図 10 右の極点図解析結果は，ナノロッドの結晶成長が中心の赤色部に集中していることを意味している．

[3] 2019 年度試行的利用制度：https://www.nims.go.jp/
acnp/shikou.html[4] 安藤 秀夫，遠堂 敬史，笠 晴也，松尾 保孝，東 陽介，”
放電プラズマ焼結装置を用いた超硬材開発における実は，この結果を得るに至るまでに，紆余曲折があっ問題解決から新超硬金型開発へ～ナノテクプラッた．当初はナノロッド 1 本ずつ測定する予定であったが，トフォームの地域中小企業支援～ ”，NanotechJapan

電気伝導率が悪く，SEM 観察が難しかった．そこで，導Bulletin Vol. 8, No. 5, 企画特集「Collabo ナノテクノ

電性を確保するためにカーボンコートを行ったが，コーロジー」（第 6 回）(2015)：https://www.nanonet.

トが厚くなると結晶方位解析が難しくなる．結局，FIB のgo.jp/ntjb_pdf/CollaboNano-06.pdf

EBSD で回折パターンを確認，カーボン蒸着を交互に繰り[5] 長谷川 智香，山本 知真也，網塚 憲生，小澤 英浩，返すことで，EBDS 測定と，ドリフトやチャージが抑えら

遠堂 敬史，”FIB-SEM を⽤いた⾻組織の 3 次元微れる妥協点を探して，何とか測定することができた．

細構造解析 ”，NanotechJapan Bulletin Vol. 7, No.
5, 企画特集「ナノテクノロジー EXPRESS」（第 29回）(2014)：https://www.nanonet.go.jp/ntjb_pdf/nanotechEXPRESS-29.pdf

４．おわりに[6] Tomoka Hasegawa, Takashi Endo, Erika Tsuchiya,

遠堂氏は，北海道大学の微細構造解析 PF での技術支援

Ai Kudo, Zhao Shen, Yasuhito Moritani, Miki Abe,

スタッフとして約 5 年，様々な支援活動に携わった．PFTomomaya Yamamoto, Hiromi Hongo, Kanako

利用者が提供する試料について，なにか一つでも多くのTsuboi, Taiji Yoshida, Tomoya Nagai, Naznin Khadiza,データや知見が得られるように支援してきた．そうした

Ayako Yokoyama, Paulo Henrique Luiz de Freitas,

支援活動の中でも，これまでに経験したことがないようMinqi Li, and Norio Amizuka, “Biological application

な，少々困難な依頼が来るたびに，何とか対応しようと

of focus ion beam-scanning electron microscopy

努めてきた．骨組織細胞群の 3 次元構造観察，ナノロッ(FIB-SEM) to the imaging of cartilaginous fibrils andドの結晶方位解析，等いずれの支援例でも，測定装置はosteoblastic cryptoplasmic processes”, Journal of Oral

自動化されているものの，観察対象の試料の準備や観察

Biosciences, Vol.59, No.1, pp55~62 (2017)

画像データの 3 次元化構築において，遠堂氏のような技[7] Tomoka Hasegawa, Tomomaya Yamamoto, Hiromi

術支援スタッフの並々ならぬ努力があって初めて研究成

Hongo, Zixuan Qiu, Miki Abe, Takuma Kanesaki,

果が得られていることに感銘を受けた取材であった．

Kawori Tanaka, Takashi Endo, Paulo Henrique Luiz de「挑戦的な課題であるほど，支援する技術スタッフのス

Freitas, Minqi Li, Norio Amizuka, “Three-dimensional

キル向上の機会にもなっている．今後も難しい課題であっultrastructure of osteocytes assessed by focusedても遠慮なく相談しに来て欲しい」，と遠堂氏は語った．

ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEM)”,

本記事の読者が，北海道大学の微細構造解析 PF を利用しHistochemistry and Cell Biology 149, pp423~432てみたい，との気持ちを持つきっかけになれば幸いである．

(2018)[8] Kyung Ho Kim, Yuya Yoshihara, Yoshio Abe, Midori
Kawamura, Takayuki Kiba, and Takashi Endo,“Effects of Ni dopant on structural properties of zinc

参考文献

oxide nonorods”, Microelectronic Engineering, 165,

[1] ナノテクノロジープラットフォーム技術スタッフ表彰，令和元年度，若手技術奨励賞

pp20~22 (2016)

遠堂 敬史（微細構造解析 PF 北海道大学）：https://www.nanonet.

（図はすべて遠堂氏から提供された）

go.jp/ntj/award/[2] 北海道大学 ナノテクノロジープラットフォーム 微

NanotechJapan Bulletin Vol. 13, No. 2, 2020

文部科学省ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ（尾島 正啓）令和元年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（若手技術奨励賞）-8