PowerPoint プレゼンテーション

（財）高輝度光科学研究センター ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀ 古宮聰

•世界最先端の分析ツールをどう活すか

•最近の技術動向

•産業利用の現状と将来

SPring

SPring

-

-

8

8

の産業利用

の産業利用

分析技術の復権！

放射光利用ナノテク最前線2004

2004/6/21 東京国際フォーラム

産 業 に ど う 役 立 て る か

産 業 に ど う 役 立 て る か

z最先端の計測技術

¾ニーズが計測技術を引張る

¾シーズが応用を生む

z材料研究から開発指針

¾良好な材料の解析から開発指針

¾障害解析から開発指針

zその他

¾宣伝

利用成果の分析から

分析部

材料・デバイ

開発部門

C M O S

C M O S

構 造

構 造

ゲ−ト絶縁

シリサイド

配線

バイアメタル

層間絶縁膜

素子分離

2013

2010

2007

2004

年

0.6

0.7

0.9

1.2

ゲート絶縁換算膜厚 (nm)

32

45

65

90

実用プロセス技術（nm）

High-performance Logic Technology Requirements (ITRS 2003)

＜エレクトロニクスでは、はるか以前からナノテクノロジーを駆使してきた

原子数層の世界

☆10億個の制

ゲ−ト絶縁膜 - 0. 0. 1. 1. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Surface Interface SiO2 Si 密度 (g/cm 3 ） 厚さ (nm) ＜Ｘ線反射解析：積層構造＞ ＜光電子分光：界面反応＞ ＜斜入射蛍光法：元素分布＞

a-SiO2

Si

＜Ｘ線CTR散乱：界面構造＞ ＜蛍光分析：酸素定量 感度：∼0.1％ （HfOナノ薄膜） P h o toe le c tr o n I n te ns it y ( a rb .u ni ts ) 1846 1844 1842 1840 0.74eV (a) Si 1s 1665 1660 Binding Energy (eV)

0.83eV (b) Hf 3d 540 536 532 528 (c) O 1s 0.58eV annealed, Si/SiON/HfO₂ annealed, Si/SiO₂/HfO₂ Si/SiO2/HfO2 ＜X線散乱 XAFS：非晶質構造＞ Hf-L edge XAFS 9.2 9.3 9.4 9.5 エネルギー(keV) 吸 収 係 0 1 2 0 1 厚さ(nm) Si TiN TaOx 濃 度

ＬＳＩ用ゲート薄膜の高精度評価

ＬＳＩ用ゲート薄膜の高精度評価

最 先 端 反 射 率 測 定 技 術

最 先 端 反 射 率 測 定 技 術

富士通研究所

1nmの極薄膜積層構造の充分な定量

0 5 1 1 2 2 3 3 4 -0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1

挿入光源ビームライ

Lo

I (cps)

2θ (deg)

SiO

₂

1.0 nm

解析された密度分布

計算 測定 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0. 0. 1. 1. 2. 2. 3. Surface Interface Si 2 S 密度 (g/cm 3 ） 厚さ (nm) 淡路直樹 SPring-8ワークショップ http://support.spring8.or.jp/training/text/040213/lsi_2.pdf

高誘電体ゲ−ト絶縁膜

高誘電体ゲ−ト絶縁膜

_/

_/

_Si

_Si

界面反応評価

界面反応評価

JASRI/SPring-8、武蔵工業大学 他

高エネルギーＸ線光電子分光

実プロセスの評価が実現

SiONはSiO

2

よりHfO

2

/Si間の反応抑止能が高い

_{アナライザー}

光電子分光測定装 アンジュレータ 分光器 ミラー 分光器 ミラー 試料

特徴：ナノ薄膜内部界面が観れる（表面鈍感）

放射光：6 keV Si SiO2  （SiON） HfO2 4nm 0.8nm

K.Kobayashi et. al., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 1005.

界

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1846 1844 1842 1840 1838 1836 1834

Binding energy (eV)

Normalized intensity X-ray

_e

Si-1s HfSi Si4+ HfSiO SiO2/Si annealed As-dep.

4100 4102 4104 4106 4108 4110 4112 4114 4116

0

2

4

6

8

Kinetic energy (eV)

Normalized intensity (a.u.)

Si 1s 光電子スペクトル

ゲート電極多結晶

ゲート電極多結晶

Si

Si

の酸化

の酸化

Oxidized Si

4+

表面敏感な条件Take-off angle：8°

酸

化

が

進

行

p-Si(590)/HfAlO I/I and annealing

p-Si(620)/HfAlO I/I and annealing

Si

SiON(0.7nm) HfAlO(2.7nm)

Poly-Si(5nm)

6 keV X-ray

e

E.Ikenaga et. al., IWDTF (26 May 2004) JASRI/SPring-8、SELETE

0

20

40

60

80

0

2

4

6

8

10

12

14

Take Off Angle (θ)

Integral Intensity

590 Al I/I and annealing

590 Al

590 Si I/I and annealing

590 Si

620 Al I/I and annealing

620 Al

620 Si I/I and annealing

620 Si

Ⅰ

Ⅱ

Si

4+

成分の強度の出射角依存性（Si成分で規格化）

グループⅠ：HfSiONの全て、HfAlOの620℃製膜B注入熱処理 グループⅡ：HfAlOの590℃製膜、 B注入熱処理、 620℃製膜

グループⅠで酸素のゲート電極Siへの拡散が顕著

Si SiON(0.7nm) HfAlO(2.7nm) Poly-Si(5nm) Si SiO2(0.6nm) HfSiON(2.6nm) Poly-Si(5nm)

試料

E.Ikenaga et. al., IWDTF (26 May 2004) JASRI/SPring-8、SELETE

Si

Si

ゲート電極

ゲート電極

/

/

高誘電体絶縁膜界面反応評価

高誘電体絶縁膜界面反応評価

産 業 に ど う 役 立 て る か

産 業 に ど う 役 立 て る か

z最先端の計測技術

¾ニーズが計測技術を引張る

¾シーズが応用を生む

z材料研究から開発指針

¾良好な材料の解析から開発指針

¾障害解析から開発指針

zその他

¾宣伝

排 気 ガ ス 触 媒 の 長 寿 命 原 因 の 解 明

排 気 ガ ス 触 媒 の 長 寿 命 原 因 の 解 明

貴金属ナノ粒子が酸化還元サイクル中で自己再生を繰返し触媒機能を持続

高性能触媒の搭載実現に貢献

日本原子力研究所 ダイハツ工業 結晶に取り込まれる 貴金属微粒子として析出

Y. Nishihata et. al., Nature 418 (2002) 164. 劣化原因は貴金属微粒子の肥大化

電池のサイクル劣化の機構解明

電池のサイクル劣化の機構解明

豊田中央研究所 Ni O

NiO

₆

Li

+

Jahn-Teller distortion

X線

LiNiCoO

原

子

周

囲

構

造

の

リ

ア

ル

タ

イ

ム

計

測

XAFS

電池内部を直接観察

電極結晶構造の歪みの復元力低下がLiイオンの含有能力を低下

サイクル寿命向上に貢献

6950 7000 7050 0 1 2 3 Energy (eV)  μ t  (a.u.) 未照射 12h 24h Eu₂O₃ Ｘ線照射 6950 7000 7050 0 0.5 1 1.5 annealed pristine absorbance (a.u.) EuCl2 EuCl3 熱処理 600℃8h Eu2+ Eu3+ 2000 400 600 800 1000 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 annealing temperature (℃) ratio of Eu 2+ ratio of Eu 3+ Eu2+ Eu3+

青色蛍光体

青色蛍光体

_BaMgAlO

_BaMgAlO

₁₇

₁₇

_:

_:

_Eu

_Eu

の

の

劣化解析

劣化解析

熱プロセスおよび点灯による輝度低下

PDP

XANES

スペクトル

加熱、X線照射

Eu

2+

⇒ Eu

3+

Euの酸化

蛍光体の輝度劣化原因究明

JASRI/SPring-8、三菱化学、化成オプトニクス  本間徹生 SPring-8ワークショップ http://support.spring8.or.jp/training/text/040514/flu_4.pdf

z最先端の計測技術

¾ニーズが計測技術を引張る

¾シーズが応用を生む

z材料研究から開発指針

¾良好な材料の解析から開発指針

¾障害解析から開発指針

zその他

¾宣伝

産 業 に ど う 役 立 て る か

産 業 に ど う 役 立 て る か

タ イ ヤ 内 蔵 フ ァ イ バ の 撮 像

タ イ ヤ 内 蔵 フ ァ イ バ の 撮 像

SEM像

氷

ヤイヤ

ファイバ

動画撮影

  氷に刺さる

  折れない

住友ゴム工業(SRI研究開発)

圧縮

fiber

従来Ｘ線 放射光

吸収像

屈折ｺﾝﾄﾗｽﾄ像

スタッドレスタイヤ

観たことがない

  氷に刺さる？

  折れない？

スタッドレスゴム

スタッドレスゴム

スタッドレスゴム

氷

氷

33

33

μ

μ

m

m

ビッググラスファイバー

ビッググラスファイバー

雰囲気温度：

雰囲気温度：

-

-

５℃

５℃

スタッドレスゴム

スタッドレスゴム

スタッドレスゴム

氷

氷

33

33

μ

μ

m

m

ビッググラスファイバー

ビッググラスファイバー

雰囲気温度：

雰囲気温度：

-

-

５℃

５℃

変形をせず突き刺さる！ 折れない！

変形をせず突き刺さる！ 折れない！

放 射 光 の 特 徴

放 射 光 の 特 徴

  偏光電磁石光源

・垂直方向に指向性大

・強力X線

・白色光

     挿入光源

・垂直水平方向に指向性大

・強力X線（10000倍)

・準単色

通常Ｘ線

光源に応じた得意な領域を

有効に利用

放 射 光 の 産 業 利 用

放 射 光 の 産 業 利 用

• 材料の分析評価

– 材料の構造解析、元素分析、状態分析

LSI用薄膜材料、新機能材料、磁性材料、触媒

– 光の質（高輝度）、Ｘ線；中型∼大型

• 製造技術

– 加工技術；Ｘ線露光、光ｴｯﾁﾝｸﾞ、新材料創生

– 光量、真空紫外線∼軟Ｘ線；小型∼中型

SPring-8

SPring-8

TEM

放射光は最先端の分析センター

放射光は最先端の分析センター

¾構造解析

—X線回折・散乱

—X線反射解析

—XAFS

¾状態分析

—光電子分光

—XANES

¾元素分析

—蛍光X線分析

¾イメージング

—屈折コントラスト、CT

—X線トポグラフィ

¾マイクロビーム

¾TEM

¾ESCA

¾化学分析

¾SIMS

単

機

能

多

機

能

新材料・デバイスの開発における高輝度放射光の役割

新材料・デバイスの開発における高輝度放射光の役割

材料評価

デバイス開発

新材料・プロセス開発

材料の言葉で翻訳

材料物性

素子特性

従来技術で観れないものを観る

高輝度放射光

（財）高輝度光科学研究センター ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀ 古宮聰

•世界最先端の分析ツールをどう活すか

•最近の技術動向

•産業利用促進の現状と将来

SPring

SPring

-

-

8

8

の産業利用

の産業利用

分析技術の復権！

•さらに高精度に

•そのまま観たい

•分野の広がり

入

射

Ｘ

線

反

射

Ｘ

線

試料

検出器 ソーラースリット 蛍光X線検出器 （SC・フローPC）

分光結晶

蛍光Ｘ線

蛍 光

蛍 光

_X

_X

線 分 析

線 分 析

波長分散蛍光Ｘ線分析装置

入

射

Ｘ

線

分

光

系

検 出 器

分光系

波長分散検出器 濃縮処理

通常測定

+

濃縮法

高感度

４x10

6

_atoms/cm

2

_{= 原子4個/100μm}

2 (atoms/cm2)

濃縮前

濃縮後

Ni

5x10

8

4x10

6

Cu

5x10

8

4x10

6

Al

2x10

11

8x10

8 自然酸化膜 1%HF、100μｌ滴下 HFによる自然操作溶解 溶解終了 棒で中央部へ移動 乾燥（約１時間） Ｓｉ基板 ≦1.8 ≦2.1 ≦2.5 ≦4.4 汚染検出 (x108_atoms/cm2₎ 16G -2G 1G 量産(bit) 50 2011 70 2008 100 2005 130 2002 素子寸法(nm)

ITRS半導体ロードマップ

超 高 感 度 微 量 汚 染 分 析

超 高 感 度 微 量 汚 染 分 析

富士通研究所、東芝、松下テクノリサーチ、住友電気工業 N.Awaji et. al., JJAP 43(2004)1644.

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

指数

L

(逆格子単位)

1

10

100

1000

10000

Intensity (任意単位)

CTR

CTR

散乱による界面原子変位の解析

_{散乱による界面原子変位の解析}

理想表面

＋原子変位

−原子変位

理想表面

＋原子変位(4%)

−原子変位(4%)

ブラッグ点

原子変位により非対称

淡路直樹 SPring-8ワークショップ http://support.spring8.or.jp/training/text/040213/lsi_2.pdf 富士通研究所、富士通 X線CTR散乱

1.0E+00 1.0E+01 1.0E+02 1.0E+03 1.0E+04 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 界面原子変位(Å) リー ク 電 流密度( A/cm 2 ) 界面変位とリーク電流の関係 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 A B

非対称性

I/I

0

δ

c = +0.096Å

δ

c = -0.130Å

+0.056Å

N Si O 界面Si

_{第一原理計算}

酸窒化ゲート絶縁膜のリーク原因究明

酸窒化ゲート絶縁膜のリーク原因究明

富士通研究所、富士通 Ｘ線CTR散乱から界面Siの歪

次世代LSI用ゲート絶縁膜開発に貢献

LSI

窒化処理で導入される窒素がSi基板

内部に達するとリークを引起す

-0.357Å

SiON

Si

淡路直樹 SPring-8ワークショップ http://support.spring8.or.jp/training/text/040213/lsi_2.pdf

ｼﾘﾝﾀﾞｰ ノズル ﾌﾟﾗﾝｼﾞｬｰ

IPカメラ

小

型

紡

糸

機

紡糸過程のリアルタイム計測

紡糸過程のリアルタイム計測

東洋紡総合研究所 村瀬浩貴 SPring-8講習会 http://support.spring8.or.jp/training/text/030117/highpolymer_2.pdf

174 mm

199 mm

224 mm

274 mm

SAXS

WAXS

(110) (200) (110)

Shish-kebab構造

高

密

度

ポ

リ

エ

チ

レ

ン

溶融紡糸における繊維構造形成

溶融紡糸における繊維構造形成

ノ

ズ

ル

紡

糸

ノ ズ ル か ら の 距 離

溶融紡糸における繊維構造形成過程のその場観察から高精度な制御へ

X線小角散乱 X線回折 東洋紡総合研究所

エマルション：無機混和材（セメント・硅砂）        ＝120：60（P/C＝100%） ガ ラ ス 板 に 挟 み 込 ん だ 試 料

Ｘ

線

0 5000 10000 15000 20000 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 未反応物：CaO・Al2O3

水和

大関化学研究所

ポリマーセメントの水和反応の

ポリマーセメントの水和反応の

_X

_X

線回折

線回折

水和凝固型防水剤（ポリマーセメント）

0 5000 10000 15000 20000 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 水和物：3CaO・Al2O3・8H2O 水和物：3CaO・Al2O3・6H2O

混合975分後

混合15分後

時間

温

度

1時間

地下鉄工事に必要

エマルション中の水分により

セメントが水和する

2003年トライアルユース

見

か

け

反

応

率

時間（分）

試

料

温

度

ポ リ マ ー セ メ ン ト の 水 和 反 応

ポ リ マ ー セ メ ン ト の 水 和 反 応

大関化学研究所

水和凝固型防水剤（ポリマーセメント）

（℃）

（％）

未反応物：CA 水和物：C2AH8 水和物：C3AH6 アルミナセメント  主成分 CA(CaO・Al2O3) C:CaO A:Al2O3 H:H2O 0 200 400 600 800 CA CA C2AH8 C2AH8 C3AH6+ AH3 C3AH6+ AH3 室温 35℃ 反応時間（分）

35℃

室温

アルミナセメント+エマルジョン中の水分 結晶性セメント水和物を生成 高温で反応促進

2003年トライアルユース

水和反応実証から事業貢献

室温 35℃ 試料温度 宮下景子 H15 SPring-8トライアル ユース成果報告書

次世代露光装置概念図

蛍石（CaF

2

）：真空紫外領域の光学材料

白色X線トポグラフィー 放射光 試料 スリット 検出器 回折像 スライス像から 三次元像 野間敬 H15 SPring-8トライアルユース成果報告書 キャノン

光学材料の品質向上に役立てる

サブグレインや格子欠陥の内部観察

光学材料の結晶粒や欠陥の三次元観察

光学材料の結晶粒や欠陥の三次元観察

2003年トライアルユース

直径：30cm×高さ：30cm

X=20μm X=0μm X=40μm X=60μm X=80μm X=100μm X=120μm X=140μm 50μｍ 刃 髭 金 属 ホ ル ダ で 髭 を 固 定

拡

大

従来Ｘ線 放射光

吸収像

屈折ｺﾝﾄﾗｽﾄ像

刃

刃が髭を切断する様子の直接観察

刃が髭を切断する様子の直接観察

髭の切断機構を解明し、

シェバーの開発に役立てる

松下電気工業

2003年トライアルユース

利用分野の拡大

濱田糾 H15 SPring-8トライアルユース成果報告書

（財）高輝度光科学研究センター ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀ 古宮聰

•世界最先端の分析ツールをどう活すか

•最近の技術動向

•産業利用促進の現状と将来

SPring

SPring

-

-

8

8

の産業利用

の産業利用

分析技術の復権！

旭化成、クラレ、住友ゴム工業、東洋紡 大関化学、タキロン など 川崎重工、コベルコ科研、新日鉄、住友金属、 住友電工、三菱マテリアル、東芝 関西電力、豊田中研、ダイハツ、 東京ガス、東邦ガス、トクヤマ、 出光化学 など 三洋電機、住友電工、ソニー、東芝、 NEC、日立、 富士通研、富士電機総研、松下電器、三菱電機 、 NTT、キャノン、リコー、など 東レリサーチ、シーエーシーズ

利 用 企 業 と 課 題 分 野

利 用 企 業 と 課 題 分 野

Ｘ線機器、分析 •LSI •DVD,CD •FPD •鋼材 •建材 •工具 •繊維 •ゴム •触媒 •燃料電池 •環境分析 •触媒

SPring-8

蛋白コンソーシアム：22社 キリンビール、日本ロシュ、 サンスタ、P&G、松下電工 など

2003年

素材

金属、高分子、建材

環境・エネルギー

製薬・生活用品

エレクトロニクス

•タンパク •シャンプ •健康水

自主開発型 共同研究型 受託研究型

課題申請利用

共同研究

受託ｻｰﾋﾞｽ

産

業

利

用

ビ

ー

ム

ラ

イ

ン

コ

ー

デ

ィ

ネ

ー

タ

ー

技

術

指

導

員

最

先

端

の

手

法

︵

シ

ー

ズ

︶

講習会 企業訪問・学会

マーケティング

ニーズ調査

コンサルティング

Face to face

トライアルユース

研修会

技術支援

潜在的利用

（ニーズ）

交付金

産 業 利 用 支 援

産 業 利 用 支 援

普及・宣伝

体験

技術向上

顕在化

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1997 B 1998 A 1999 A 1999 B 2000 A 2000 B 2001 A 2001 B 2002 A 2002 B 2003 A 2003 B （利用期間） （件） 企業件数 新規企業件数

実験責任者として課題を実施した企業数の推移

（共用ビームラインの利用）

新規を含む実施企業の増加

新規を含む実施企業の増加

トライアルユース 産業利用ビームライン トライアルユース

新規参加

新陳代謝 適度な競争 潜在ニーズ 活性化

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1997 B 1998 A 1999 A 1999 B 2000 A 2000 B 2001 A 2001 B 2002 A 2002 B 2003 A 2003 B

素材関連企業の増加

素材関連企業の増加

その他 製薬・生活用品 素材（金属、高分子） 環境・エネルギー（環境触媒、燃料電池） エレクトロニクス

課題実施企業数の分野別推移

（共用ビームラインの利用） コーディネータ Grの働きかけ コーディネータ Grの働きかけ

z目的：産業利用拡大支援

z内容：ユーザー開拓から育成へ

¾技術向上：技術支援（

利用へ

）

¾体験学習：研修会、トライアルユース（

体験する

）

¾普及宣伝活動：講習会、ワークショップ（

目を向ける

）

z支援組織：コーディネータと技術支援グループ

z利用機会拡大：産業利用ビームラインの新設と審査基準変更

z研究開発成果

z施設とユーザに利用技術が蓄積

z企業や分野の拡大

これまでのJASRIの施策

利用者の現状

産 業 利 用 の 現 状 の 位 置 付 け

産 業 利 用 の 現 状 の 位 置 付 け

第一期：利用拡大

共同研究、受託研究 分析サービス、成果専有 利用の計画性、即応性、効率性 自動化、使い易い装置

最終目標が視野に

ス

テ

ッ

プ

ア

ッ

プ

z製品化・事業化

第二期：利用成果

事業フェーズ

研究フェーズ

潜在的利用

ニーズ

戦略利用

大きな産業利用成果を挙げるために

大きな産業利用成果を挙げるために

＜国＞

＜国＞

＜利用者＞

＜利用者＞

一般利用（公募）

自己資源

産業発展のニーズに適した制度

JASRIが戦略的に関与

早期に成功事例を

戦略的な取組を

JASRI

啓蒙的利用

新規利用の政策的喚起

適度な競争と新陳代謝

ユーザ

将来構想

共同研究、受託研究 分析サービス、成果専有 利用の計画性、即応性、効率性 自動化、使い易い装置

更 な る 発 展 の た め に

更 な る 発 展 の た め に

zターゲットを明確に

¾新材料開発が製品競争力を支配

z課題に応える

¾ビームタイムの増加

¾利用制度と体制の変革

z全体の取組

¾様々な連携

専用ビームライン、産官学

新材料がカギを握る素子は目白押し

新材料がカギを握る素子は目白押し

配線：低誘電膜、応力

ゲート：高誘電体、強誘電体

基板：SOI

レーザ：GaInN(青色）

媒体：結晶/非晶質相転移

ヘッド：ｽﾋﾟﾝﾊﾞﾙﾌﾞ

媒体：垂直磁化膜

MRAM

燃料電池・二次電池

電極、電解質、セパレータ

水素吸蔵合金

FPD

蛍光体、有機膜

チャンス到来

官・学

産

JASRI

社会貢献

経

済

効

果

国

際

競

争

力

潜在的利用者

•国際競争力の強化 •先端技術開発力の強化 •先端製品開発の促進 産業基盤 •高い学術的成果 •先端科学技術開発の促進 •基盤技術の向上 科学技術 •利用者・利用分野の拡大 •利用技術の向上 支援効果

産 官 学 ・ 放 射 光 施 設 の 連 携

産 官 学 ・ 放 射 光 施 設 の 連 携

•有料利用の拡大  成果専有、受託研究、  分析ｻｰﾋﾞｽ •共同研究の拡大 経済効果 立命館大学SRセンター