私の問題解決の考え方　第４章２

４．３　悪いところの解析には？
　－分析の考え方－

前節では、問題解決のための「チェック機能」の役割について説明しました。その中でも、チェックの結果、「悪い」と判断された場合の解析がとても大事です。

ここでは、そのための「分析手法」について詳細に考えてみましょう。基本的には、体の具合が悪いときと同じです。お医者さんで、どこがどのように悪いかを調べてもらって、治療をしてもらうのです。

半導体製品を作る場合でも、具合の悪い品物をいろいろと調べます。作る人が主になってやるのですが、使う材料の分析などは、自分ではやらず、他の部門や専門の会社に依頼します。

私の場合、「運がいいことに」、自分にとって役に立つ分析機器を自分で持ち、自ら分析することができました。

一方、「仕事の効率」ということだけを考えると、分析に余計な時間がかかってしまうのです。しかし、悪いときの解析の重要性と解析の難しさを考えると、自分でやるということが極めて大事なことだと私は考えています。


ここで、Annaさんから質問がありました。

＞分析が必要なことは分かりました。でも、自分でそこまでやるのは、時間の無駄ではありませんか。それより、分析はプロにやってもらって、問題について考えたり、さらに必要な実験をやった方がいいのではありませんか？

私の答えです。

☆ごもっともな質問です。本当に知りたいことを分析者が理解してくれ、そのために必死で頑張ってくれれば、おっしゃる通りです。そして、お医者さんだって、主治医は、多くの場合、Ｘ線検査や胃カメラ検査を専門家にやってもらいます。今はこれらの技術が相当確立しているので、普通の場合はそれでいいでしょう（でも、昔、十二指腸潰瘍の検査を頼んだはずなのに、胃の写真しか撮れていなかったことがありました）。しかし、見つけにくく、命に係わるようなことを見つけたいときに、通り一遍のやり方での検査に頼ると、大事な病気の証拠を見逃してしまうことがあるのです。しかし、そういうものを見つけたい気持ちの強い人なら気がつく可能性があるのです。要は意欲の問題です。なお、今の私の主治医は胃カメラの検査も自分でやってくれます。

次項にも説明があります。



＜分析までなぜ自分でやったか＞

新しい製品や技術の開発では、担当者が少しでもいろいろなことを自分で経験し、苦労して、心身で問題を感じ取ることが大事だと思います(一般の問題解決でも)。そして、「分析」は問題解決の鍵となる情報（一番大事である、事実を）をしばしば与えてくれるのです。しかし、私の用いた表面分析器では、まだ検査手法が確立したとは言えず、分析者のやり方、技術とか、なにかをどうしても見つけたい気持ちなどの影響が大きいのです。

問題を解決したいという強い気持が特に重要です。そのお陰で、依頼した場合には分からないようなことが明らかになることもよくあります。

自分でやることの重要な要因を挙げてみましょう。

１．分析が具体的に何を測定しているのかを検討できる。（結果の解釈など）
　内容、問題点、信頼性など

２．普通なら気づけないような事実に気づけるかもしれない。（意欲の問題）

３．通り一遍の分析では必要な情報が得られず、自分の工夫で、それを可能にできるかもしれない。（違う測定手法があるかもしれない）

４．結果の再現性を確認できる。


私が自分で分析までやることができたのは、一つには、運良く、必要な分析装置を手に入れることに成功したからです。そのお蔭で、他の研究者より信用のできる証拠を使って、問題をより深く理解でき、問題の解決をより確実にできました。


＜エスカによるアルミニュウム表面評価＞

以下、前節で取り上げた、金線とアルミニュウム電極の接合技術において、不良率を上げる重要要因となる、アルミニュウムの表面状態の評価法についてこれから説明します。

分析には、Ｘ線光電子分光法という方法を使いました。これは、材料表面の薄い層の物質の化学分析ができるとされている手法です。例えば、アルミニュウムの表面でしたら、表面にある酸化膜の化合状態（化学結合状態）が測定できるとされています。

このことから、この方法はエスカ（ＥＳＣＡ；Electron Spectroscopy for Chemical Analysis; つまり、化学分析のための電子分光)とも呼ばれています。

私は、問題のアルミニュウムの表面の化合状態をエスカで調べたら、うまく行かない原因や対策が分かるのではないかと思ったのでした。

化合状態が分かる原理について考えましょう。

まず、物質を構成する原子の中には、陽子と同じ数の電子が入っています。それらの電子には、いろいろな種類があり、それぞれ違うエネルギーで原子の中に束縛されています。そして、そのエネルギーより大きいエネルギーの光（ここではＸ線）を当てると、その電子は外に飛び出してきます。

これは、アインシュタインが見つけた現象で、「光電子効果」と言います。

エスカ（Ｘ線光電子分光）の場合、当てるＸ線のエネルギーは一定ですから、同じ物質でも、いろいろなエネルギーの電子が出てきます。「Ｘ線照射によって放出される電子のエネルギー（運動エネルギー）と数との関係」は、プリズムを透過した太陽光がいろいろな色（エネルギーが違う）の光に分かれるのと同じようなものなので、スペクトル（光を分光器によって波長順に分解したもの）と呼ばれます。

このスペクトルは物質によって違うので、分析に使えるのです。

次に、ある物質Ａと、ＡとＢとの化合物ＡＢを考えてみましょう。これらをエスカで測定すると、Ａの電子については、ＡでもＡＢでも、似たようなスペクトルが得られます。しかし、細かく見ると、個々の運動エネルギーの値が少し違っているのです。Ａの場合とＡＢの場合の差を「化学シフト」と呼んで、この値によって化合状態が分かるとされています。

実際の測定例を示しましょう。



図４．６　アルミニュウム表面のエスカ・スペクトル

これはアルミニュウム表面から放出された光電子のスペクトルのごく一部を拡大して示したものです。蒸着（アルミニュウムを蒸発させ、基板の上に堆積させて作った薄膜）膜が試料です。

厚さ数nm（ナノメートル；１０億分の１メートル）の酸化膜で覆われた金属アルミニュウムのスペクトル(光電子の運動エネルギーと数との関係）です。エスカ（Ｘ線光電子分光）は表面分析なのですが、いくらか内部も見ることができます。この結果でも、酸化膜だけでなく、その下の金属アルミニュウムを見ることができるのです。

図４．６で、二つのピーク（山）が見えていますが、右のピークが金属アルミニュウムのもので、運動エネルギーが少し低い左のピークが酸化アルミニュウムのものです。このエネルギーの差が「化学シフト」であり、酸化膜の化合状態を知るのに使えるとされているのです。

このように、エネルギーが変わるのは、簡単に言うと、アルミニュウムと酸素が化合物を作ると、アルミニュウムから酸素の原子に、電子が移動するからです。酸化物の状態では、アルミニュウム原子では正の電荷が、酸素原子では負の電荷が多くなっています（正と負のイオンになっています）。

この状態でＸ線が照射されて、電子（負電荷）が放出するとき、アルミニュウム原子が正の電荷を持っていると、電子は、電荷がゼロの場合と比べて放出しにくく（束縛がより大きい）なるので、電子の運動エネルギーが小さくなります。即ち、図４．６からも分かるように、ピークが左側（低運動エネルギー側）へ移ります。

このような測定をいろいろな種類のアルミニュウム表面に対して行なうことにより、金線との接合性の低下の原因を探れると思ったのでした。


このような測定ができるのは、実際の問題で私達が出会う表面を調べるのに、大変便利なことです。空気や、水や、化学薬品などに触れた物質の表面（実用表面とでも言いましょうか）には、有機物が吸着していたり、酸化膜があったりするのです。ですから、本当に表面しか見えないとすると、有機物しか検査できないということになってしまいます。逆に、あまり深いところまで見えてしまうと、表面より、中身の検査になってしまうのです。

この点、エスカは使いやすく、役に立つのです。吸着層も、酸化膜も、その下の層も同時に検査できる場合が多いのです。


＜世の中思うようにはならない＞

接合（金線熱圧着）の良悪の判断もできるようになり、新しく手に入れた表面分析器エスカでアルミニュウム表面の酸化膜の分析をすれば、接合の不良の原因も明らかにできると喜んだのもつかの間、この分析が難しいということが分かってしまったのでした。

詳細は４．５．２項で説明しますが、図４．７に示すように、測定（X線を照射）することの影響（帯電）で、化学シフトの値が変わってしまっていたのです。



図４．７　化学シフトのＸ線照射時間依存性



しかし、これで諦めるのではなく、帯電の補正をして真の化学シフトを求める検討や組成を求める努力もしました。しかし、アルミニュウムの酸化膜では、いろいろな種類があったり、それらが同時に存在する可能性もあり、さらに、厚さの測定もうまくできません。ですから、どこまで化合状態や組成の検討ができるかを明らかにするためには、膜が一種類であると考えられ、厚さの測定もできる二酸化シリコン膜で、まず詳細な検討を始めました。


その一方、そのときまでに測定したアルミニュウム酸化膜の測定結果について、化合状態や組成以外の情報を探しました。


＜大事なことに気づいた！＞

考えてみたら、私は、まだエスカがちゃんと使えるようになっていないのに、「まんずやってみれ！」ということで、いきなり、アルミニュウム酸化膜の化合状態を測定しようしていました。

そして、この分析手法（エスカ）の難しいところをまず知ってしまったのでした。しかし、それまでに、いろいろな種類のアルミニュウム試料の測定もして、接合性（せん断破断力）の測定もしていたのです。また、自分の装置なので、既に、かなりの数の試料の分析をしていました。こういう状態で、化学シフトがだめなら、他に何かないかと考えて、データを見直しました。

そうしたら、あったのです！金属アルミニュウムと酸化アルミニュウムの強度比（図４．６参照）です。この比が接合性と関係付けられそうだということが分かりました。

そして、私が、アルミニュウムの酸化膜の厚さのことを忘れていたことに気づいたのでした。酸化膜が厚いほうが金と接合しにくいだろうということは、素人でも考えられることでした。

さらに、都合の良いことに、薄い酸化膜のエスカの測定結果には、「酸化膜厚」の情報も含まれていたのです！

図４．６で、酸化したアルミニュウムと金属アルミニュウムのピークが見えています。この試料の酸化膜の厚さは数nm(nmは１０億分の１メートル）あります。これより厚くなると、酸化したアルミニュウムの強度がもっと大きくなり、金属アルミニュウムのピークが小さくなります。もっと厚くなると、酸化したアルミニュウムしか見えなくなります。逆に、酸化膜がなければ、金属アルミニュウムしか見えなくなります。

即ち、金属アルミニュウムのピーク強度（高さ）Ｈ(Al)と酸化アルミニュウムのピーク強度（高さ）Ｈ(Al-O)の比をＳ（論文（2）では表面清浄度と呼びました）と定義すると、図４．８に示すように、このＳと前述のせん断破断力との間に相関が認められたのです。そして、Ｓはアルミニュウムの酸化膜の厚さに依存する量です（Ｓは酸化膜厚の尺度です）。



図４．８　金線とアルミニュウムのせん断破断力に与えるアルミニュウム表面清浄度Ｓの影響
（ここで、Ｓは金属アルミニュウムと酸化アルミニュウムのピーク高さの比（図４．６参照))


＜まとめ＞

ここでは、エスカで求める、「表面清浄度Ｓ」（アルミニュウム酸化膜厚に依存する）により、接合性の良悪に対応する、アルミニュウム表面状態の評価ができるようになったことを示しました。これにより、金線熱圧着の「チェック機能」（良悪の判断と悪い場合の解析）が確立しました。

この後は、エスカにより、前述のように二酸化シリコンを使って、表面や界面の化合状態、組成や酸化膜厚をどの程度評価できるかを検討しました。それと平行して、半導体素子製造に関する各種問題についての検討も進めました。



４．４　表面（界面）研究への布石
　　－やる気の源－

金線熱圧着の研究が終わる頃から、私には、研究に対する「やる気」が少しずつ出てきました。丁度この頃、表面（界面）研究の必要性をはっきりと感じるようになり、必要な分析装置（エスカ）も手に入れることができました。（わが社でこの装置を二台作って発売停止になった売れ残りを只で手に入れました。）

この「やる気」がなかったら、会社での私の研究はつまらないものになっていたでしょう。そして、表面（界面）研究の必要性だけではやる気が出てこなかったと思います。

そこで、もう少し前に戻って、やる気がどのように出てきたかを考えてみましょう。

要因として考えられるのは、

１．会社に入る前から、ある意味では、表面（界面）に関係のある研究をやっていて、はっきりではありませんが、表面（界面）について勉強したいと思っていました。しかし、 本当に興味を持っていたかどうかは分かりません。

２．子供の頃、私は、パズル、謎解き、探偵小説などが好きでした。何かの真実とか、問題の答が知りたいというような気持が強かったと思います。

３．表面（界面）研究を始めた頃、エスカの測定から面白い結果を見つけました。

４．会社の私の仕事においても、材料（物質）の表面（界面）状態に関係した問題がほとんどでした。

５．さらに、いろいろ苦労し、エスカを使いこなそうとしているうちに、表面（界面）の研究が好きになってきました。


本章では、主として、上記の要因１，２について説明します。


４．４．１　会社に入る前の研究

前半は身体を動かす研究で，後半（学位論文）は頭を使う研究でした。

学校で行なった研究は、会社での研究と直接関係がないものでした。しかし、後から考えると、基本的な部分では、ちゃんと繋がりがあったのです。

会社では、半導体製品の製造技術に関する研究を担当していました。

それに対して、大学と大学院では、金属の実験研究と応用力学（弾性論）の理論研究をやりました。


＜身体を動かす研究＞

大学では、工学部の冶金（やきん）学科（当時はそう呼ばれていた）に所属していました。これは、金属に関する勉強をするところで、今なら、「材料科学」科とでもいうところでしょうか。

金属を割ったり、切ったり、溶かしたり、延ばしたり、磨いたり、自分の身体を動かして、いろいろなことを経験しました。

ここで勉強したことの一つが「材料の強さ」です。私達が使う、いろいろな製品が折れたり、割れたり、傷がついたりしたら困ります。つまり、機械的に強い材料が欲しいのです。

私の研究も、強い材料の作り方に関するものでした。具体的には、アルミニュウムに他の元素(金属）を加えたり（加熱して溶かした状態で）、加熱したり、加工したりして、引っ張り試験（同じ大きさの短冊状の試験片を引っ張って壊す力を比べる）をしたりしました。

そのとき、強いものを作るためには、なぜ壊れるのか、を理解することが必要だと感じました。

例えば、ある棒状の物体Aを引っ張って破断させたとしましょう。図４．９に示すように、破断前と後で明らかに違うのは、新しい｢表面」（右図の矢印参照）が二つできたということです。破断前、そこ（破断部分）はつながっていました。つまり、壊すということは、「新しい表面を作る」とも言えるのです。

ですから、この表面を調べるということは、物体がどのように壊れるかということを知るのに役に立つと考えられます。



図４．９　物体Aの引っ張り強度試験の破断前と後


＜頭を使う研究＞

大学院での学位論文の研究は、応用力学（弾性論）の理論研究でした。（弾性論では、物体に力を少しかけると変形しますが、力を取り除くと、また元通りの形に戻ります。）

物体の変形に関する研究です。従来の理論では（今普通に使われているもの）、物体に力をかけなければ、変形はありません。つまり、力をかけなければ、歪（ひずみ）はどこでもゼロになります。（因みに、歪とは、変形の割合です。例えば、１メートルの棒が１．０１メートルに伸びたとします。このとき、歪（伸び歪）は１％（０．０１）になります。）

しかし、私が関わった（理解しようとした；これが私の研究の主要部分）理論では、力をかけなくても、物体の表面近くでは、歪が発生する可能性が出てくるのです。そして、実際に、実験では、材料の表面近くでは原子と原子の間の距離が内部とは少し違っている（歪があるということ）という結果が出ていたのです。

この理論というのは、均一な物体に関するもので、物体の内部構造については何も言っていないのに、上記のようなことになるのです（ここが面白い！）。このようになるのは、歪の、場所による変化も変形のエネルギーに寄与していると仮定するからです。それに対して、従来の理論では、変形のエネルギーは歪だけによって決まるとしているのです。

この状況は、簡単な例えで言えば、原子と原子の間の力が直ぐ隣の原子間でしか働かない場合が従来の理論に相当するのに対して、新しい理論では、この力が、隣同士だけではなく、もっと先まで及ぼし合っている場合に相当しているということです。

これを示したのが図４．１０です。従来の理論のモデルが「旧モデル」と書かれています。そして、「新モデル」が新しい理論に相当しています。まず、物体が線状であると仮定しています。そして、その物体が「原子」（黒丸）からなり、「原子結合」が「バネ」（かかる力に比例して伸び縮みする）で示されています。


図４．１０　新旧弾性論のモデル

旧モデルでは、原子間の相互作用が直ぐ隣の原子にしか及ばないので、一つの原子結合を切っても（新しい表面を作ることに相当）、その結合の両側の原子の結合が一つ減るだけで、それ以外の影響は全くありません。当然のこと、どの原子間の距離も変わりません（伸び縮みなし）。

一方、新モデルでは、原子間の力が隣の原子にだけでなく、もう一つ先の原子にも及んでいるのです。このとき、図から分かるように、二つの原子の間にはバネが三つあります。この線状の物体に力がかかっていない（外から引っ張ったりしていない）とすると、三つのバネにかかる力の合計はゼロになっているはずです。しかし、一つ一つのバネにかかっている力はゼロでなくてもいいのです。

ですから、個々のバネには力がかかっている場合、二つの原子の間の結合（バネ三つ）を切ると、そのことで、切られた結合の両側（新しい表面に相当）の原子の隣まで影響が出てしまうのです。つまり、表面の原子とその次の原子との間の力の釣り合いが取れなくなり、距離が変わることで調整されるのです。

すなわち、このモデルでは、新しい表面を作ると、表面の原子と直ぐ下の（次の）原子との間の距離が変わります。[実際には、原子間の力は次の隣の原子の先ではゼロになるのではなく、もっと先まで及んでいます（急速に小さくなっていきますが）。]



この研究をやったお陰で、材料の表面近くでは、物質が変化している可能性があること、さらに、Ｘ線を照射するような刺激を与えると、その影響が内部に少し染みこむような現象があり、これを理解する助けにもなったのでした。また、極薄い材料にＸ線を当てると、あたかも、材料が変わったような挙動を示すのも理解することができたのでした。

なお、この研究の詳細は、付録２に示すように、DTIC (Defence Technical Information Center;アメリカ国防省の技術情報センターと訳すのでしょうか）から得ることができます。付録には、英文の概要のみが載っています。

[今年になって、この論文の原稿が何十年ぶりかに見つかりました。ある意味では古文書ですので、写真に撮ったものを、全文、付録３－１と３－２に示します。２０１４年記]


４．４．２　子供の頃はどうだったのだろうか

子供のときには、いろいろなことを直ぐに覚えられます。しかし、覚えたときの記憶が私にはないのです。私は、自動車を見れば、その名前を直ぐに言えたそうです。でも、どのようにして覚えたか分かりません。

そして、今では、その頃の自動車を見ても、名前を言えません。

歩き始めたときのことだって、全く覚えていません。これは、私の人生にとって、とても大事なことなのに。


でも、今になって、孫達を見ると、歩けるようになるまでに、大変な努力をしているのです。くどいくらい、飽きないで、こつこつと、歩こうとしています。親が歩き方を教えるわけではないのに、一所懸命頑張って歩けるようになるのです。

このことを大人になっても覚えているなら、大抵のことはできてしまうと思います。

要は、「やる気」です。歩きたい気持がとても強いのです。抑えられないくらい。多分、本人は意識していないのではないかと思います。無意識の「やる気」ではないかと思います。

ちょうどいいくらいの時期に、どうしても歩きたいと、強く思うようになるのです。


子供のとき持っていた、この能力を持ち続けることはできないのでしょうか。


歩きたいと思う「やる気」とか、歩くための「頑張り」、「集中力」や「しつっこさ」などを忘れてしまうのでしょうか。元気、勇気とやる気です。

倦まず、怠らずに、努力するのです。


「歩くこと」のように、無意識に、誰でもできるようになることは、もしかしたら、初めから、意識にはない、「記憶」に残らないことなのかもしれません。

しかし、個人個人によって違うことで、本人が意識的に努力するようなことは覚えているのかもしれません。

でも、適不適とか、好き嫌いのようなことは、生まれつき持っている性質みたいなものかもしれません。


一方、周りの影響で、変えられてしまうこともあるかもしれません。


私の娘達を見て感じたことは、学校に入る前の方が、ある意味では、頭が良かったと思います。知恵がありました。これは、よく言う、「子供のときは天才でも、大人になるとごく普通になってしまう」ということでしょうか。

私は、学校の影響をとても心配しています。学校の教え方が子供に悪い影響を与えているのではないかと懸念しています。


そして、子供のときに頑張ったことや覚えたことを忘れてしまうのでしょうか。


私の場合も相当忘れてしまっていますが、幼稚なところは今でもそのまま残っているようです。また、研究のことを一所懸命に考えだすと、それだけに没頭してしまうことがあります。


ある程度の記憶がある時代（小学校以後）の私は、どうも、やる気のない子供であったような気がします。あまり思い出したくないですが。

学校が嫌い。
友達がいない。
他の子と遊びたくない。
何がしたいか分からない。
大きくなって何になりたいか分からない。
作文が嫌い。
習字が嫌い。
体操も嫌い。
図画も嫌い。
工作も嫌い。
人前で話せない。
いじめられた。
半不登校であった。
（これはもっとものことかもしれません。父の転勤で、小学校は６校も行っているのです。）

好きなことは何だったのでしょうか。

物語や小説を読むこと。特に探偵小説。
パズルやゲーム（室内）（考えること）
算数がいくらか


理科が好きだったわけではありませんが、パズルの答を考えるようなことは好きだったようです。

授業が理解できなかったり、いじめられたり、嫌なことが多かったです。（しかし、考え方によっては、この経験は、私に、世の中には分からないことや、思うようにならないことが沢山あるのだ、ということを教えてくれました。）

唯一、６年生のときは楽しいと思ったのですが、その次の年、妹が亡くなっています。

総合すると、あまりパッとしない子供の時代であったと思います。

それでも、パズルなどをやり始めると、かなり熱中はしていたようです。将棋を覚えてからは、叔父などに負かされて、何回も何回も挑戦していたのを覚えています。

考えることは好きだったようです。

さらに、子供の頃は、いろいろな名前を覚えるのが得意で、県の名前と県庁所在地をすらすら言えたりしていました。

ところが、大人になって、考える仕事をするようになってからは、暗記力が甚だしく落ちてしまいました。講演のセリフなど覚えられたことがありません。


私の孫を見て分かったのですが、結局、何かできるようになるためには、一所懸命に、何回も何回も練習しているのです。諦めないで、続けるのです。

もう一つ、新しいことを恐がらないのです。「まんずやってみれ！」ができるのです。


ここいら、ある程度、生まれつきというのがあるかもしれませんが、やりたいという気持が強ければ、何でも結構できてしまうのではないでしょうか。


それから、子供のときから、ある程度分かっていたと思うのは、

自分で納得したとこいらで止める（いい加減）

理屈に頼り過ぎない（思いつきでやる）

ある程度は自然の成り行きに任せる(無計画）

などです。（学者には無理）


４．４．３　まとめ

会社に入る前には、自分では意識していませんでしたが、将来、研究者（科学者は無理）になって、実用的な表面（界面）の研究に取り組む下地が確かにありました。

そして、子供の頃、既に、

世の中には、分からないことや思うようにならないことが多いことを知っていた、

パズルや探偵小説が好きであった、

いろいろな可能性を考えたり、想像するのが好きだった、

真実を知りたい、答を知りたいという気持が強かった、

自分で納得したとこいらで止める、

理屈に頼り過ぎない、

ある程度は自然の成り行きに任せる、

ようにしていたのでした。


また、研究をやっているうちに、

実験研究というか、実践、実際に自分でいろいろやってみることの重要性を学んだだけでなく、

理論研究により、現象を理解し、言葉や式でそれを表現することにも意味があると思うようになりました。

５７００文字　07/12/16　　計１１７００文字