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 平成 27 年度技術スタッフ表彰 優秀技術賞 ・ 技術支援貢献賞

ナノ材料物性探索のためのデバイスプロセス技術受賞者 物質 ・ 材料研究機構 NIMS 微細加工プラットフォーム 渡辺 英一郎氏に聞く
文部科学省ナノテクノロジープ
ラットフォーム事業は，微細構造解
析，微細加工及び分子・物質合成の3 つの分野で最先端のナノテクノロ
ジー施設・設備を有する 25 研究機
関が，全国の産学官の研究者に対して，利用機会を提供し，イノベーションにつながる研究成果の創出を目指している．平成 26 年度には 2811件の利用があった．
設備の活用にはスタッフの支援が欠かせない．このため，平成 26 年

クリーンルームを背にした受賞者 渡辺 英一郎氏と副賞のバッジ
バッジ 優秀技術賞（左），技術支援貢献賞（右）度より技術スタッフ表彰を行い，平成 27 年度はスタッフを 3 つのカテゴリー（優秀技術，技術支援貢献，若手技術奨励）で表彰することになった．優秀技術賞には，物質・材料研究機構（NIMS）渡辺 英一郎氏の「ナノ材料物性探索のためのデバイスプロセス技術」[1] が選ばれ，渡辺氏は同時に技術支援貢献賞も受賞した．授賞の発表並びに表彰式は，2016 年 1 月 29 日に，東京ビッグサイトで開催された第 14 回ナノテクノロジー総合シンポジウム（JAPAN NANO 2016）で行われた [2]．
この技術の内容，支援の経緯などを伺うべく，つくば市の物質・材料研究機構 千現地区 材料信頼性実験棟に，受賞者の物質・材料研究機構

中核機能部門 NIMS 微細加工プラットフォーム NIMS エンジニア（わたなべ えいいちろう）氏を訪ねた．上司の NIMS 中核機能部門
NIMS 微細加工プラットフォームナノ集積ラインサブマネジャー

渡辺 英一郎ナノテクノロジー融合ステーション（併任）津谷 大樹（つや だいじゅ）氏も同席され，受賞対象技術の意義等を補足説明された．

定の位置にナノ材料を成長・配置する制御技術は整って

１．受賞対象技術の眼目－プロセスインテグレーション

いないから，ある条件で生成した小さな試料が基板上に

１．
１ 物性探索のためのデバイス作製 --- アドレスパターンによるナノ材料の位置特定の位置も定まらない．そこで，基板上にアドレスパターランダムに存在することになる．電子物性を調べるには電極付けしなければならないが，どこに電極をつけるかンを形成し，測定対象がアドレスパターンのどこにあるかを電子顕微鏡などで観察し，試料とアドレスパターン新たなナノ材料（例えば，グラフェンやカーボンナノとの相対位置を頼りに，電子線描画などを用いて電極をチューブ）の発見は，新材料の物理的・化学的性質が明つける．従って，ナノ新材料の電子物性評価のデバイスらかになって初めて大きなインパクトを与える．グラフェプロセス技術には，次の 3 つの要素技術が必要となる：（1）

ンのノーベル賞受賞（二次元物質グラフェンに関する革基板上にランダムに存在するナノ材料の位置を特定する新的実験）はグラフェンを取出し，工夫した観察治具にためのアドレスパターン作製技術，（2）電子顕微鏡（SEM）・固定して物性を解明したことによるものだった．
しかし，発見されたばかりの新たなナノ材料では，特NanotechJapan Bulletin Vol. 9, No. 2, 2016

原子間力顕微鏡（AFM）等を駆使したナノ材料観察技術，（3）極高精度の重ね合わせ電子線描画技術．

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平成 27 年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（優秀技術賞・技術支援貢献賞）-1

ナノ新材料の電子物性評価のためのデバイスは，これらの要素技術を駆使して，新しいナノ材料そのものの作
製，所定形状にするためのナノ加工，試料の観察，アド

１．２ プロセス間の関連を考慮したプロセスインテ
グレーション

レスパターンの設計・作製，電子線描画パターンの CAD

ナノ新材料の電子物性評価のデバイス作製は，上記の設計，描画パターンに従った蒸着等による電極作製といっプロセスの組合せで行われる．プロセス条件やプロセスたプロセスを通じて作製される．これらの工程を下線の順序は材料や評価用試料の構造などによって決まる．電キーワードで表わすと，ナノ材料，ナノ加工，アドレス，子線描画レジストの選択を行うなど，新材料に合わせた観察，CAD 設計，電極作製の 6 つのプロセスとなり，こ個々のプロセスを最適化する一方，グラフェンのようにれらを効果的に組み合せて全体のデバイスプロセスを構

工程を間違えると対象となるグラフェンが剥がれてしま築し，物性探索の試料を作製することになる．

うものや耐熱性に劣る分子ナノワイヤーなどもあるから，渡辺氏の使っている技術や使用装置例を具体的に示す

各プロセスの関連を考慮し，プロセス全体を考えてデバと（図 1），マイクロスケールのアドレスパターンは，高イス作製を進める．このように個々のプロセスを順序立

速マスクレス露光装置，レーザー露光装置でのマイクロて，最適化して一貫したデバイス作製プロセスにするプ

パターニングになる．一方，ナノパターニングには，電ロセスインテグレーションが重要になる．

子線描画装置（100kV，125kV）を用いる．コンタクト

ナノ材料の形態ごとにどのような順序でプロセスを組電極の成膜には，E-gun（電子銃）蒸着装置，UHV（超高んでデバイスを作製したか，１．１で下線を付して示した真空）E-gun 蒸着装置を使う．微細構造観察には，走査電キーワードを用いて図 2 に纏めた．各工程自体は一般的子顕微鏡（SEM），原子間力顕微鏡（AFM）を用いる．ナで特に新しくはないが，目的とする物性探索デバイスにノ加工では，多目的ドライエッチング装置，酸化膜ドラ応じて，各工程には重要な技術ポイントがあり，工程をイエッチング装置でエッチングして所定形状にし，急速どう組み合わせるのかが，プロセスインテグレーション

赤外線アニール炉で熱処理して，ナノ材料の表面クリーのポイントである．その具体的内容は，次のナノ材料デニングやナノ材料－金属電極間のオーミックコンタクト

バイス作製支援事例で説明する．

を形成する．

アドレス用高速マスクレス露光

電極用電子線描画装置
図1

図2

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観察用走査電子顕微鏡

受賞技術に関連する装置例（提供：渡辺氏）

プロセスインテグレーション（渡辺氏提供資料を基に作成）

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平成 27 年度技術ｽﾀｯﾌ表彰（優秀技術賞・技術支援貢献賞）-2

アドレスパターンを用いて量子ドットに電極をつける

２． ゼ ロ（0） 次 元 か ら 2 次 元 の ナ ノ
材料デバイス作製例

ことは知られているが，どのように電極付けを行うかの２．１ 0 次元ナノ材料 量子ドットへのナノギャップ電極作製ないようにプロセスを構築し，ナノ材料，アドレス，電工夫が新しい．すなわち，量子ドット作製は高温処理となるため先に行ない，アドレス作製後に高温プロセスが極作製という順序を選んでいる（図 2最上段）．ここでの重要な技術ポイントは，量子ドット以外には基板上にこ の 例 は，GaAs 基 板 上 の InAs 量 子 ド ッ ト（QD） を何も無い試料に対して，量子ドットの位置を特定し，そ介 し た SQUID（Superconducting quantum interference

れに対して数 nm レベルの精度でナノギャップ電極を作device，超伝導量子干渉素子）の作製である．図 3 に作製している点である．正確なアドレスパターンの作製，製した SQUID 模式図と SEM 像を示した．GaAs 基板上に極高精度な重ね合わせ電子線描画技術を要する上，ナノランダム成長した無数の InAs 量子ドットの中から選択しギャップ電極の作製ではシャドウィングを利用した斜めた特定の量子ドット（J1，J2）に対してナノギャップ電蒸着により電極ギャップ幅を制御することによってデバ極を作製し，InAs 量子ドットを介した正方形状の SQUIDイスを作製した．作製した SQUID によって得られた成を作製した．

果の原著論文は米国物理学協会（AIP）刊行の Applied

図 4 は作製過程を説明するもので．左の図の細かな点

Physics Letters に掲載された．試料作製者の名は謝辞にがランダムに存在する InAs 量子ドットである．これに図記されることも少なくないが，渡辺氏はこの論文の共著

4 の右に示すアドレスパターンを金属で作る．AFM でア者となっている [3]（本稿に引用された論文はいずれも渡ドレスパターン（右下の 2 つの四角）と量子ドットを一辺氏が支援したものだが，共著者になっているとは限ら緒に観察している．この画像を CAD に取込んで電極位置ない）．

や形状を決める（CAD 設計）．量子ドットの大きさは数十nm で，これにソース，ゲート，ドレインの 3 つの電極をつける．アドレスパターンの設計ではパターン間隔の選択が必要で，間隔を量子ドットの高さに合わせた．CAD
設計の結果をもとに超高精度な電子線描画を行い，斜め蒸着により図 4 左の白線で囲ったナノ電極を形成した．

図3

図4２．２ 多様な 1 次元ナノ材料に対応したプロセス－
分子ナノワイヤーおよびカーボンナノチューブへの多端子コンタクト電極作製
もう一つの例は，1 次元ナノ材料である分子ナノワイ

InAs 量子ドットを介した SQUID －模式図（左）と SEM 像（右）（提供：渡辺氏）

量子ドットとアドレスパターン－ AFM 像（左）とアドレスパターンの設計図（右）（提供：渡辺氏）

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ヤーへのコンタクト電極作製である（図 5）．あらかじめのナノワイヤーの量が多すぎると電極が短絡し，少なすアドレスパターンを作製した基板に対して，分子ナノワぎると素性の良いナノワイヤーを得ることができなくなイヤーが分散している溶液を散布し，ターゲットとなる 1る．アドレスパターンの形状や厚み，分散溶液の濃度等本の分子ナノワイヤーにのみコンタクト電極を作製した．

を最適化し，分散量を制御することによって，1 本のナノ先述の量子ドットは高温熱処理で作るので，先に量子ドッワイヤーだけを用いたデバイスが作製可能となった．

トを作って後からアドレスパターンを作製した．一方，こ の 技 術 の お 蔭 で， 脳 神 経 か ら 抽 出 し た 微 小 管

ナノワイヤーは剥がれ易いので，コンタクトまでの工程（Microtubule）のメモリー作用の論文が Applied Physics

数を減らすように，先にアドレスパターンを作った．こLetters に掲載された [4]．のように材料によってプロセス順序を変えている．また，ナノワイヤーは分散濃度も選んで基板上に生成させる

アドレスパターンに溶液中のナノワイヤーを固定するのが，電極づくりの順序も選ぶ．有機溶剤耐性のない分子で，アドレスパターンに分子が絡み付くように，アドレナノワイヤーなどの場合，先に電極を作り，電極作製後スパターンの厚みを大きくしている．量子ドットの場合にナノ材料を塗布して，特性を測ることもある（図 2 のには，厚みが量子ドットの高さと合うようアドレスパター3 段目）．

ンを薄くした．このように，アドレスの形状・厚みは，ナノ材料ごとに適宜調整する．また，分子ナノワイヤーが多いとコンタクトをとり難くなるので，溶液中のナノワイヤー濃度を調整した．アドレスパターンの上にナノワイヤーを落とした後は，CAD で設計して電子線描画で２．３ 2 次元ナノ材料のナノシートへの高精度極微加工－グラフェン結合量子ドット・MoS2 を用いたデバイスの作製電極を作る（図 2 の 2 段目）．図 5 右はこのように作製し基板上にランダムに存在する 2 次元ナノ材料に対して，たカーボンナノチューブ（CNT）素子の SEM 像を示してコンタクト電極を作製するだけでなく，極高精細な電子いる．

ビーム描画技術およびドライエッチング技術を駆使して 1

ここでの重要な技術ポイントは，アドレスパターンを先に作製している点である．これは分子ナノワイヤーを枚の 2 次元ナノシートを任意形状に加工し，電子輸送特性測定素子を作製した例について述べる．

散布する際に，敢えて分子ナノワイヤーがアドレスパター一つは，基板上にランダムに存在する 2 次元材料（グンに引っ掛かることを狙っている．ナノチューブやナノラフェン）に対して，コンタクト電極を作製するだけでワイヤーを散布する際は，基板上に分散されたそれらのなく，極高精細な電子ビーム描画技術およびドライエッ量が絶妙な密度で存在することが重要となる．基板上でチング技術を駆使して 1 枚のグラフェンシートを任意形

図5

図6

分子ナノワイヤー素子の AFM 像（左）と CNT 素子の SEM 像（右）（提供：渡辺氏）

グラフェン結合量子ドット－ SEM 像（左）と円盤状グラフェンと電極間に架橋したグラフェン素子（右）（提供：渡辺氏）

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状に加工し，結合量子ドットを作製したものである（図 6左）．二重ドット（double dot）の物性を見ようというも

３．技術支援はどのように進められたか－ NIMS 微細加工 PF の特徴と支援への今後の抱負

ので，その成果は．Nano Letters[5] に掲載された．
また，グラフェンを円盤状に加工し，中空に架橋したグラフェン素子を作った（図 6 右）[6]．グラフェンの加工には，酸素によるドライエッチングを用いた．Si 基板
表面を熱酸化してできた SiO2 の上にグラフェンを載せ，３．１

NIMS 微細加工プラットフォームの特徴電極をつける．SiO2 表面の凹凸によってグラフェンの特渡辺氏が仕事場とする NIMS 微細加工プラットフォー性が変るので，グラフェンの下の SiO2 を除き，グラフェ

ム [8] は，ナノテクノロジープラットフォーム事業の前身

ンは中空に浮かしている．グラフェンは基板との密着性であるナノテクノロジー・ネットワーク事業（ナノ・ネッが悪いのでプロセス中に剥がれるリスクが高いため溶液ト事業）から始まった施設である．2007 年に建設したプロセスは最小限にする．グラフェンはグラファイトのクリーンルームに，半導体微細加工装置群を新規整備し剥離で作ったものである．電極付け以外でも架橋構造作てナノ・ネット超微細加工領域にナノテクノロジー融合製などのナノ加工が必要とされる（図 2 の 4 段目）．さらステーションナノ集積ラインとして参画，実質 4 年間のに，基板との密着が弱い CVD グラフェンの場合，電極で研究支援を実施した．ナノ・ネット事業は 2012 年 3 月

グラフェンを基板上に固定してから形状加工するなどのに終了し，2012 年 7 月からナノテクノロジープラット工夫が必要になる（図 2 の 5 段目）．

フォーム事業における，微細加工プラットフォーム（PF）

この技術はグラフェンだけでなく，他の 2 次元ナノ材料に対しても適用可能である．図 7 は，2 次元ナノ材料として近年着目されている MoS2 に適用し，MoS2 トランジスタを作製した発展例である [7]．の実施機関として参画した．NIMS は微細構造解析 PF，分子・物質合成 PF にも参画している．
NIMS 微細加工プラットフォームの特徴は，（1）約 40台の装置群を同一施設内に集約し，（2）材料に制限を設

このように，受賞技術は様々なナノ材料に対してコンけず多様な材料研究に対応し，（3）装置ごとに専任スタッタクト電極を作製するだけでなく，ナノ材料を任意の形フを配置して充実した支援体制を整備したことである．

状に加工できることを実証しており，当該技術が新規ナ

また．（4）微細加工 PF，微細構造解析 PF，分子・物質ノ材料を用いたイノベーション創出を導くための重要な合成 PF の 3 つの PF が同じ建物にあり，横断的利用が可キーテクノロジーであることを示している．

能なアンダーワンルーフの施設となっている（図 8）．

図7

図8

MoS2 ナノシート素子の光学顕微鏡写真（提供：渡辺氏）

3 つの PF が置かれた NIMS 千現地区材料信頼性実験棟（提供：渡辺氏）

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図9

支援分野と支援件数の推移（渡辺氏提供資料を基に作成）

支援分野は，図 9 に示すように，エレクトロニクスが最も多く，支援数の 35% を占めている．利用実績は，いよう情報更新して技術力向上を図る．また，技術指導によるナノテク基盤技術の持続的発展を狙う．

2008 年の 54 件から年々増加し，2014 年には 162 件にさらに，積極的かつ戦略的に技術代行支援を提供した

達した．利用者は NIMS が当初から 40 件前後で大きく変いという．戦略的な技術代行支援は，民間企業の早期成わっていないが，大学の利用は 13 件から 64 件，公的機果創出に貢献し，生命科学，医工連携等の異分野融合研関は１件から 18 件となった．依頼元の大学は，北海道か究を促進する．遠方・地方を含む全国的支援を展開し，ら沖縄まで全国に亘っている．また初年度は 0 だった企

FIB 加工，高度 EB 描画等の熟練域に達した技術を提供し，業の利用は最近急速に増え，2014 年度は 40 件に達した．

難課題解決のためのプロセス支援を行いたい．ユーザー

利用企業は電機，素材，化学，精密等の各分野に跨がっには気軽に相談してもらい，技術支援の活用を広めてほている．企業は材料開発における評価やリソグラフィのしいと語られた．

利用が多く，探索的研究や物性基礎は大学に多い．

一方，NIMS 微細加工 PF のメンバーにはパーマネントNIMS 微細加工 PF は多岐にわたる研究分野への支援をとそうでない職員が混在している．契約期間が有限で，実施する一方，人材育成にも注力し，電子線描画（EB）

比較的短期の場合は，技術の習得，積み上げが継続できや集束イオンビーム（FIB）加工などのセミナーなどを実るかという不安があることも事実である．お話を伺って施している．また，海外からのインターンシップ生を受いて，技術支援の拡大，その基になる技術の向上，伝承け入れ，大学院生向けの微細加工実習を行っている．の環境作り，支援員の育成は，共用施設活用を進める上利用形態には，（1）機器利用－利用者自身で装置操作，の課題として心すべきものと感じた．

（2）技術補助－ NIMS 職員のサポートの下に装置操作，（3）技術代行－ NIMS 職員が試料作製等を行い提供，の3 通りがある．技術代行は NIMS の支援の特徴で，度々つ参考文献

くばの NIMS まで来なくて済むため，遠方の大学も PF を利用し易い．利用料金は装置ごとの時間課金従量制とし，[1] ナノ材料物性探索のためのデバイスプロセス技術，利用相談・技術相談，実験用消耗品・薬品・ガス使用，http://nanonet.mext.go.jp/research_support_award/

蒸着等の貴金属・フォトレジスト・成膜材料には課金しない．利用に当っての予約，問合せなどは全て Web（http://H27_Award_1.pdf[2] ナノテクノロジープラットフォーム，秀でた 6 大

www.nims.go.jp/nfp/）上で行える．

成果と技術スタッフ表彰者が決定，http://nanonet.
mext.go.jp/topics_gov/?mode=article&article_

３．２ 技術支援における今後の抱負－技術力向上とユーザーの気軽な相談を期待

no=3086[3] Sunmi Kim, Ryosuke Ishiguro, Michiya Kamio,
Yasushi Doda, Eiichiro Watanabe, Daiju Tsuya, Kenji

今後の技術支援に向け，渡辺氏は，第 1 に共用施設のShibata, Kazuhiko Hirakawa, and Hideaki Takayanagi,認知度を高めたいという．それにはユーザー満足度を向上させ，ユーザーコミュニティの中での情報拡散を進め，"π junction transition in InAs self-assembled quantum
dot coupled with SQUID", Applied Physics Letters,共用施設利用が当たり前となる環境形成を図る．第 2 に，Vol. 98, No. 6, p. 063106 (2011)

装置性能維持・技術力向上を図る．装置知識を深め，装[4] Satyajit Sahu, Subrata Ghosh, Kazuto Hirata, Daisuke

置性能を最善の状態に維持管理する．技術が陳腐化しな

Fujita, and Anirban Bandyopadhyay, "Multi-level

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memory-switching properties of a single brain[7] Naruki Ninomiya, Takahiro Mori, Noriyuki Uchida,

microtubule", Applied Physics Letters, Vol. 102,Eiichiro Watanabe, Daiju Tsuya, Satoshi Moriyama,

No.12, p. 123701 (2013)

Masatoshi Tanaka, and Atsushi Ando, "Fabrication[5] Satoshi Moriyama, Daiju Tsuya, Eiichiro Watanabe,of high-k/metal-gate MoS2 field-effect transistor byShinya Uji, Maki Shimizu, Takahiro Mori, Tomohiro

device isolation process utilizing Ar-plasma etching",

Yamaguchi, and Koji Ishibashi, "Coupled Quantum

Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 54, No. 4, p.

Dots in a Graphene-Based Two-Dimensional

046502 (2015)

Semimetal", Nano Letters, Vol. 9, No. 8, pp. 2891-[8] 国立研究開発法人 物質・材料研究機構 微細加工プ

2896 (2009)

ラットフォーム（パンフレット），http://www.nims.

[6] Satoshi Moriyama, Yoshifumi Morita, Eiichiro
Watanabe, and Daiju Tsuya, "Field-induced confinedgo.jp/nfp/link/files/NIMSnanofab_2015pamphlet.
pdf

states in graphene", Applied Physics Letters, Vol.
104, No. 5, p. 053108 (2014)

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（古寺 博）

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