立体構造化試料の精密な作製は、物質科学、デバイス工学といった科学分野だけでなく、実際のIoTデバイス技術の革新に直結する重要な課題です。シリコン加工技術の中で、薬剤により腐食させるエッチング技術を用いたデバイスの三次元立体加工では、加工後の立体表面の平坦性や清浄度の確保は高機能性デバイスを構築するうえで重要な要素です。しかしながら、現時点ではこれを達成する立体表面の加工評価技術の確立が遅れています。一般的に使用される走査電子顕微鏡(SEM)は、ナノメートル程度の分解能しかないため微細な評価はできません。また、これまで2次元平坦試料をターゲットとして発展してきた表面科学的手法を、3次元構造試料へとそのまま適応することが難しいため、立体構造試料上に存在する立体表面に対しての原子精度での立体表面の作製・評価技術の基盤は整っておらず、立体表面を用いた原子精度のモノ作りは実現していませんでした。

結晶は、結晶格子の幾何学的規則性を反映して結晶面を持ちます。本研究では、立体構造化にあたり結晶面の配列を考慮して、つまり形態をデザインすることで、Si基板上に安定した原子配列表面構造をもつ結晶面から形成されたピラミッド構造の作製を実現しました（図1）。作製したピラミッド構造は、基板表面の垂直方向に対して54ºの傾斜を持っており、4つの斜面（ファセット斜面）によって四角錘のピラミッド構造が構成されています。原子レベルで制御したピラミッド構造の実現のために、写真印刷技術のフォトリソグラフィとドライエッチング、ウェットエッチング、真空加熱を組み合わせた作製技術を開発しました。これはデバイス加工に用いられるリソグラフィ・パターニング処理、ドライエッチング処理に加え、結晶面の化学反応性を考慮したウェット処理、更に超高真空における表面作製加熱処理を連結して行うことで、試料基板の3次元立体加工、および立体加工した表面凹凸の原子精度制御を実現し得る技術と言えます。

図1　作製したSiピラミッド（ウェットエッチング後）の（a）全体と（b）拡大したSEM像。4つの斜面はSi{111}ファセット表面に対応している。

ナノメートル程度の分解能のSEM観察（図1）からは、立体の4つのファセット斜面の表面構造を原子精度で観察することはできません。そこで本研究では、表面原子構造評価技術として、表面科学的アプローチの一つである低速電子線回折(LEED)法を用いました（図2）。これは電子の波の性質を利用し、電子線を表面原子に当てそこからの散乱した電子の干渉回折パターンを測定する手法で、もし表面が原子レベルで平坦で原子が周期的に配列していれば明瞭な回折スポットが現れます。従来の表面科学では2次元平坦基板表面が研究対象でしたが、本研究では3次元立体のファセット斜面の表面構造評価に適用しました。ピラミッド構造を取ったファセット斜面表面からのLEED回折パターンは、従来の2次元基板表面からのパターンとは異なり、3次元立体性ゆえに複雑になります。これを回折理論で用いられるエバルト球という計算上の図形とピラミッド構造の関係から解析することにして、理論的シミュレーションを行いました（図3）。その結果、観察された非常に複雑な4回対称のLEEDパターンが、立体構造からのファセット面表面の逆格子ロッドとエバルト球との交点で全て説明できることを明らかにしました。ファセット表面はSi{111}と表される4方向の面であり、平坦表面と同様の構造である「7×7超構造」を示すことがわかりました。

図2　（a） 4回対称のSi{111}ファセット面からのLEEDパターン実験結果と（b）シミュレーション結果。異なる色が各面に対応する。02などの数字は1×1基本スポットの指数を表示している。但し、緑矢印や緑点は7×7超構造スポットを表している。

図3 LEEDパターンに反映されるピラミッドファセット表面の逆格子ロッドとエバルト球との交点の模式図。

原子レベルでオーダーしたファセット表面は、原子精度のモノづくりのプラットフォームとなります。そこでは今まで出来なかった原子レベルで制御された三次元立体形状そのものが導く新奇なサイエンスが期待できます。本研究では、モーター磁石やスピントロニクスデバイスなど次世代材料への展開を見据えて、三次元立体形状の磁気物性に注目しました。本研究では、この清浄化したSi{111}7×7超構造ファセット表面上に、高品質な2nm～50nmの強磁性体Feナノ薄膜および半導体ナノ薄膜の成長を実現しました。そしてピラミッド構造上に成長させたFeナノ薄膜は、特異な強磁性特性を示すことを実験的に見出しました。

図4　ピラミッド形状をもつ30 nm-Feナノ薄膜の磁化（縦軸）と印加磁場（横軸）の関係。（a）基板面内方向に磁場印加、（b）基板面垂直方向に磁場印加。（c）面内磁場印加の場合の各磁場（図aの1~6）における磁化の模式図。磁化渦（vortex）がピラミッド頂上に捕獲される傾向にある。

図4は30nm-Feナノ薄膜を清浄化されたSi{111}ピラミッドに成長させ、立体ピラミッド形状の磁性ナノ薄膜の磁化と印加磁場の測定結果を示しています。図4（a）から分かるように、磁化－磁場曲線は強磁性特有のヒステリシス（履歴）を描いていますが、点3で曲線が変曲しています。これは形や構造によって物性が変化する形状磁気異方性によるもので、ピラミッドの各面をつなぐエッジ（頂点）で磁気的秩序構造が変調されるためであると考えられます。これまで理論計算で、立体面での磁化過程において、非対称的な磁気渦（magnetic vortex）状態が生み出され、渦の移動が異方的な立体形状によって異なり、ピラミッド頂上に捕獲され易い効果が出現することが予想されていましたが、本研究ではそれを初めて実験的に明らかにしました。

• 多角的、融合的な表面科学的手法の導入により、0.1nm精度の表面構造観察結果に基づく立体加工プロセスのパラメータ―の最適化を可能とし、原子の配列に乱れのない理想的なファセット表面を創り出すことに成功しました。
• 作製に成功したピラミッドシリコン構造を基盤とした、高品質な鉄ナノ薄膜、機能性半導体ナノ薄膜の作製を実現。成長方向を3次元空間へ拡大して形態制御した物質成長に成功し、立体機能性材料のモノ作りのプラットフォームになることを実証しました。
• 形状を原子制御したナノ磁性体薄膜において、ピラミッド頂上に捕獲される磁気渦が織りなす特異な磁気物性を創出することに成功しました。

原子精度の構造評価技術を3次元展開することで、これまで実現していなかった形態を制御したモノづくりへと貢献することができます。具体的には、3次元立体形態の基板立体表面、それを土台としたナノ薄膜の原子レベルでの制御は、立体デバイスなどのモノ作りの基本要素技術になり、ひいては限界が近づいているムーアの法則後のIOTデバイス技術へとつながります。また、立体形態が積極的に関与した未知の物性が出現する新規物性開拓の場を提供することができます。