2013年1月10日発行

第94号

大学技術紹介

企業技術紹介

発的な増殖を遂げることができる

計測・診断 システム研究 協議会ニュース

魚類養殖漁業は、日本では世界に先駆けて

1970年代より広く沿岸の閉鎖的な海で行われるよ

うになり、近年では年間生産量が約25万トンに達し

ている。しかしながら、この漁業は技術的には大き

な問題を残したまま、海の浄化能力という漠然とし

た自然の力に期待して、進展を遂げてきた。その現

実は、海水交換の制限された場所で大量の餌を使

用することから、魚類養殖場やその周辺の海域で

は水質の悪化や海底への汚泥の堆積が進行し、

そのことが貧酸素水や赤潮の発生を招き、魚類養

殖漁業自体にも大きな悪影響を及ぼしつつあり、

今後、魚類養殖漁業を長期的に継続できるのか、

危うくなっている海域も出始めている。

そこで、演者の研究グループでは、魚類養殖場

を持続的に利用することを可能にするための環境

維持技術の開発を進めてきた。ここで焦点を当てる

べき問題は２つある。１つは養殖生け簀の直下に

堆積した有機汚泥である。養殖魚に給餌をすると、

その餌を魚が100%食べることができたとしても、魚

体の成長に利用される有機物は、最大でもその

20%にすぎない。これは生物の生理学的限界があ

り、残りは環境負荷となる。実際には餌の食べ残し

も含まれるため、さらに環境負荷は大きくなる。生

け簀直下の海底には、養殖魚の糞や残餌などの

有機物を含む粒子が大量に堆積し、ヘドロ化する。

夏季の水温上昇期には、そのヘドロの中の有機物

がバクテリアによって分解され、底層水の酸素が消

費され、貧酸素水が発生する。強い風が吹いて海

水の鉛直混合が発生すると、その貧酸素水が表層

水と混じり合うことになり、生け簀の層の酸素濃度

を著しく低下させてしまう。

もう１つの問題は、海面養殖漁業そのものに由

来する構造的な問題である。水中には植物プラン

クトンが必ず棲息している。この植物プランクトン

は、昼間は光合成によって酸素を放出するが、夜

間は酸素の消費者となる。養殖魚を飼育している

生け簀では、養殖魚の呼吸による酸素消費と重な

り、夜間に酸素濃度が低下し、明け方にはしばしば

貧酸素状態に陥ることになる。

これらの２つの問題点は、いずれも生け簀の酸

素濃度の低下というかたちで、養殖魚に悪影響を

及ぼすことになる。低酸素濃度による生理的なスト

レスを養殖魚が頻繁に受けると、摂餌行動が不活

発になり、呼吸に支障がでることから養殖魚の運

動量も低下する。それは脂肪の蓄積を促進するこ

ととなり、脂ぎった養殖魚が生産されることになる。

そこで、演者の研究グループでは、イトゴカイを

用いた汚泥浄化技術によって堆積したヘドロを効

率的に浄化する技術、ならびにマイクロバブル発

生装置を用いて生け簀の夜間の酸素濃度低下を

緩和（防止）する技術を開発する研究を進めてきた

（図1）。

イトゴカイは自然条件でもヘドロの中に棲息する

ゴカイで、生活環をわすか4〜8週間で完結する。

秋季に海底の酸素濃度が回復し、水温が20℃前

後の条件では、ヘドロの中の有機物を餌として、爆

大学技術紹介

魚類養殖環境維持のための技術開発

―マイクロバブル発生装置とイトゴカイを用いた、

汚泥のバイオレメディエーションー * * 食品・バイオテクノロジー技術研究会（平成24年10月３日開催）講演概要

熊本県立大学

堤 裕昭

図１ 魚類養殖場の持続的な環境管理のための技術開発と期待される効果

図３. グリーンイノベーションへの寄与

発的な増殖を遂げることができる。この性質を利用して、

工場で夏季の間にイトゴカイを大量培養して、それを秋季

に海底に散布して、爆発的な増殖を人工的に誘導するこ

とにより、一気にヘドロを浄化する。このアイデアに基づい

て、熊本県天草市のマダイの養殖場で汚泥浄化実験を

2003年〜2007年に行い、その効果が実証された。

一方、生け簀の中の夜間の酸素濃度の低下に関して

は、マイクロバブルを沖合の養殖場で使用するための自

家発電装置を含むマイクロバブル発生システムを製作し、

同じマダイ養殖場に設置して、冬季を除いて夕方〜翌朝

まで毎日運転した。このマイクロバブル発生装置は、従来

の曝気装置と比較して、飛躍的な効率で水中に酸素を溶

解させることができる。演者は、このマイクロバブル発生装

置自体の改良も進めており、最新のモデルでは、従来の

曝気装置と比較して約5倍の酸素溶解性能を有している

（図2）。１基のマイクロバブル発生装置を養殖生け簀（12

m x 12 m x 8 m）の中央部、水深約5 m の位置に垂下し

て、マイクロバブルを発生させることによって（図3）、生け

簀の酸素濃度の夜間の低下を相当に緩和することが可能

であることを現場実験で実証すると共に、その結果として

養殖魚の成長が最大で40%促進されたという結果を得てい

る。

これらの２つの技術はいずれも導入コストならびにラン

ニング・コストが高額となるものではなく、魚類養殖漁業の

経営規模で導入可能な技術として、その普及が望まれる。

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ミニマルファブ用プラズマエッチング装置の開発計画及び弊社の技術紹介 ＊ * プラズマ技術研究会･ﾐﾆﾏﾙ３DICファブ開発研究会（平成24年11月９日開催）講演概要

株式会社片桐エンジニアリング

田 昭治

ミニマルファブ筐体に収納できるプラズマエッチング装

置の開発について、平成24年度の計画とその後の課題

等を述べるが、まだ、本開発は途に就いたばかりで内容

は少ないので、弊社の技術紹介を行う。

開発装置の仕様は、一般的なフッ素系ガス（CF4/Ar/O2

混合ガス）を用いたSi膜のプラズマエッチング装置であ

り、上部電極をガスシャワー構造のGND電位とし、下部

電極（基板ステージ）に高密度プラズマを発生させるため

のRF（40MHz）を印加するCCP型RIE装置である。上部電

極を上下に駆動することにより電極間隔を調整できる。

効率の良いプラズマを発生でき、ミニマル筐体内に設置

できる寸法の専用RF電源も並行して開発する。（周波数：

40MHz 出力：最大30W 外形寸法：120x120ｘ200ｍｍ以

下）

下部電極ステージにはメカニカルチャックを設け、基板

の冷却温度制御を行う。冷却水循環装置もミニマル筐体

に収納できるような小型のものが市販されていないので、

ペルチェ素子とポンプを組み合わせたチラーを試作する。

図１はミニマルファブ用プラズマエッチング装置の全体

図、図2はリアクター部の断面を示している。

弊社の技術紹介は、ベース技術（超高真空から大気圧

までのメカトロニクス技術）と主に名古屋大学堀研究室と

の共同研究から生まれた下記の製品について説明する。

①ラジカルモニター：真空紫外吸収分光法による原子

状ラジカル(H,N,O,C)の絶対密度計測を行う。

②微量金属元素モニタリング装置：大気圧プラズマに

よってアトマイズした元素を発光分光や吸収分光で

密度を計測する。

③超高密度ラジカルソース：ICPと有磁場CCP組み合わ

せた超高真空プロセス（MBE）に対応したプラズマ

源で、他社よりＮラジカルは１桁以上高密度であ

る。

④高密度大気圧低温プラズマ処理装置：商用周波数の

マイクロホロープラズマを利用した安価な表面処理

装置である。

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図２ マイクロバブル発生装置の水中への酸素溶解性能

図３ 水中でマイクロバブルを発生するマイクロバブル発生装置

⑤ナノ粒子製造・担持用超臨界装置：超臨界圧中で金

属錯体を用いてナノ粒子をナノ構造の基体に担持

する装置である。

⑥２周波励起CCP型プラズマエッチング装置：マルチホ

ロー電極に60MHz印加することで高密度プラズマ

を発生し、基板バイアスに2MHzを印加できるエッ

チング装置である。

⑦フッ素ラジカルモニター：真空紫外吸収分光法による

フッ素原子の絶対密度を測定する装置である。プ

ローブ光（95.6nm）を透過できる材料がないため、

差動排気を必要としている。

⑧ナノカーボン堆積装置：ラジカル注入技術を用いて、

プロセスガスプラズマ（CH4など）に、もう一つのプ

ラズマからH原子を注入することによってナノカー

ボン膜の特性を制御できる装置である。

⑨ハイパーナノコーティング装置(EBEP-cBN-CVD)：電

子ビーム励起プラズマを用いたＣＶＤ成膜状態をＦ

Ｔ－ＩＲでその場観察しながら成膜条件を決めるこ

とができる装置である。ｃＢＮ/ｈＢＮ比80％以上の

ＢＮ成膜に成功している。

⑩電子ビーム励起プラズマ処理装置（ＥＢＥＰ）：低エネ

ルギー（５０～１５０ｅＶ）で大電流（約３０Ａ）の電子

ビームをプロセスガスに直接照射することによっ

て、低圧力で高密度プラズマを発生する装置であ

る。

弊社は、顧客の要望に対応したものづくりを得意とし、

薄膜成長装置・加速器・核融合分野を手掛け、真空技術

をキーに少人数でありながら機械・電気・制御まで一貫し

た技術で安く・速く・優れた製品を提供している。

ミニマルファブ用プラズマ源の候補としての磁化マイクロ波プラズマ* * プラズマ技術研究会･ﾐﾆﾏﾙ３DICファブ開発研究会（平成24年11月９日開催）講演概要

長崎大学

藤山 寛

図１ ミニマルファブ用プラズマエッチング装置の全体図

図２ ミニマルファブ用プラズマエッチング装置の

リアクター部の断面図

本講演では，ミニマルファブ用プラズマ源の候補につい

て 議 論 す る．従 来 の 半 導 体 プ ロ セ ス で は，300mm や

450mmのシリコンウェハ対応や太陽電池，ディスプレィな

どのメートルサイズ基板の大面積均一化を追求してきた．

一方でナノファクトリーを志向して，マイクロプラズマやナ

ノプラズマを研究してきたが，ある意味で0.5インチウェ

ハープロセスは盲点であった．このプロセスのキーポイン

トは，1分で各種半導体プロセスを完了するという高速化

が要求されていることであり，これはプラズマ中の電子，

イオン，ラジカルの高密度化が要求されていることに他な

らない．もう一つの重要なポイントは，装置の小型化・モ

バイル化であり，例えば，大型の電磁石等はスケール的

にも．また消費電力制限の観点からも使えない．さらに，

ウェハ，ターゲットの耐熱性や耐ダメージ性が重要とな

り，反応炉壁が近いために起こる薄膜の堆積汚損による

プロセスの再現性悪化にも対処できるような方策が必要

である．

大学技術紹介

φ 100㎜

電極間距離

0～50㎜

φ 28㎜

Φ 22.5㎜

ミニマルファブ用プラズマ源のニーズをま

とめると，以下の表１のようである．

これらのニーズに対し，プラズマ源の候

補としては以下のものが考えられる．

・ECR，Sub-ECR，2nd Harmonic ECR

（μ 波+磁界）

・同軸型マグネトロン(DC, RF)

・改良型アンバランスドマグネトロン

(DC, RF)

・Lower-Hybrid波プラズマ(μ 波）

・ヘリコン波プラズマ（RF+磁界）

これらのプラズマ源では，電磁石でな

く永久磁石を使用することを検討，また

コンパクトなマイクロ波あるいはRF電源

の開発も必須である．

本講演では，筆者らの研究室で開発

した準共鳴ECR(以下Sub-ECRと表記す

る)プラズマについて紹介する．

低気圧下で高密度プラズマを生成する方法として電子

サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマが知られている．しか

し，周囲が固体壁に囲まれた閉空間でのプラズマの生成

では， ECR条件では壁への早い電子損失のためプラズ

マの生成が困難となる．そこで着目したのがSub-ECR条

件でのプラズマ生成である．この条件下では，2nd Har-

monic ECRの電子の共鳴的閉じ込めと，ECRの共鳴的加

速の長所をバランスよく持つことで，高い運動エネルギー

と電子の効率的閉じ込めによって，容易に高密度プラズ

マを発生させることができる．

図１は理論的に求めたSub-ECR条件下での放電開始

電 界の ギ ャッ プ 長 依 存性 で ある．理論 計 算 では，Ar

0.1Torr，ω ce/ ω =0.9 の 条 件 で，最 小 ギ ャ ッ プ 長

dmin=334mm，最小放電開始電圧 Vb=7.21Vでプラズマが

生成されるという驚くべき結果が示されている．

図2は放電開始電力の磁界依存性を測定した結果を

示す．Sub-ECR条件付近のω ce/ω =0.8～0.9の条件で

放電開始電力が最小となる驚くべき実験結果が得られ

た．これは，狭い空間でのECR条件(ω ce/ω =1)では電子

が加速されて損失が増えること，また，2nd Harmonic ECR

条件(ω ce/ω =0.5)では電子の閉じ込めは良いが加速され

にくいためと思われる．つまり，この理論的予測及び実験

結果は，両方の特徴を併せ持つ準共鳴条件下でもっとも

低電界でのプラズマ生成が可能であることを示している．

以上の結果から，Sub-ECR(ω ce/ω =0.8～0.9)プラズ

マは，低電力でのプラズマ生成が可能であり，動作気圧

の低下に伴い放電開始電力の低下が見られることから，

CVDのみならずエッチング等の低気圧動作プロセスにも

適していると期待される．

今後の課題及び改良点として，電磁石から永久磁石

に転換すること，より高密度化，径方向均一化，コンパク

ト化を追求することに加え，基板ダメージについても研究

する必要がある．

編集・発行： 独立行政法人 産業技術総合研究所 九州産学官連携センター 計測・診断システム研究協議会事務局

〒841-0052 佐賀県鳥栖市宿町 807-1

公式ホームページ： http://unit.aist.go.jp/kyushu/k-kyougikai/index.html

図１ Sub-ECR条件での放電開始電界(理論値)

図２ 放電開始マイクロ波電力の磁界依存性(実験値)

表１ ミニマルファブ用プラズマのニーズ

装 置 性 能 仕 様

用途 ＰEＣＶＤ，スパッタ，アッシング，

エッチング

ウェハサイズ 0.5インチ，コンパクト

装置サイズ 約30cm角(50～100kg)で移動可能

処理時間 全てのプロセス 30秒～1分

均一性 均質性:±0.5%以下 (0.5 %(MRAM) ~ 10%

(MEMS))

プラズマ密度 1012cm-3以上

電子温度 数eV

イオン温度 室温レベル

高エネルギーイオ

ン照射

基板バイアス印加可能

基板 ターゲットダメージ：低