創造力の育成を重視した分野横断的な教育

　では、具体的にどのようなSTEM教育が行われているのでしょうか。今回、日本の高校生たちが、RSAの高校生たちと一緒に体験した工学の授業「エンジニアリング・チャレンジ」は、「８本のスプーンとナイフ、１６本のフォークのみ用いて、最も高い構造物をつくれ」や「割り箸８本と輪ゴムを用いて、マシュマロを最も遠くへ飛ばす射出装置をつくれ」といった工学的課題にチーム対抗で競い合うものです。日本の生徒たちは、英語で議論を交わし、構造物や装置を作っては壊しながら、次第に盛り上がりを見せていました。

　工学教師のチャールズ・モアヘッドさんに聞くと、エンジニアリング・チャレンジは通常授業でも取り入れられているそうで、基本的に授業は座学ではなくプロジェクトベースで進むとお話されていました。「プロジェクトの課題自体は教師から与えられますが、企画は生徒主体で進み、教師は生徒の相談にのるスタイル」ということで、例えば、現在９年生が取り組んでいる「リバーサイド市あるいは姉妹都市の仙台市にテーマパークをつくろう」というプロジェクトでは、最適な土地を探してテーマを決めることから始まり、乗り物などの試作品は実際に教室内の装置で製作するそうです。製作と同時進行で教師はデザインの仕方やコンピュータのソフトウェアの使い方などを教えたり、STEMのみに特化せず、歴史など他分野とも関連付けながら生徒を導いていきます。

　学ぶ目的があり、その目的を実現する方法までを生徒自ら考えることで、育まれるものは大きいと期待される一方で、座学スタイルの授業に慣れ親しんだ日本人の目から見れば、これだけで本当に知識や技術などの実力が身につくのだろうかと不安に思う反面も、正直あります。その疑問を率直にRSAの教師の方々にぶつけたところ、創造力の育成に重点を置いた教育方針について伺うことができました。以下、インタビュー形式でご紹介します。

　私の個人的な意見ですが、生徒の興味があることでなければ創造力は育まれないと思います。特に最初の学年では、まずはつくることから始めて、理論は同時進行で教えます。次の学年では、すでに学生には興味があるので、理論の割合が多くなります。目的を達成するための方法論は色々あるはずです。しかし最初から「正しいこと」として与えてしまえば、その枠の中だけに創造力がとどまってしまう。先ず最初に、創造力を大切にするのです。

―エンジニアリングチャレンジで、日本人は皆、塔の基礎から作り始めたのに対して、RSAの高校生の中にはトップから作り始めた生徒がいたことに、日本の高校生が「発想の違いに驚いた」とコメントしていました。

　それは、どう考えても基礎から作る方が正しいです。しかし、何が正しいかは最初から教えません。先に理論ありきではなく、自分たちでわからせることが大切です。自分たちでやってみてから考える。その時に初めて何が正しいかという理論の大切さがわかります。

―そもそも「創造力」をどのように定義していますか？

　私の定義する創造力とは、生まれつきのものあるし、アクティビティ自体は与えられるものかもしれませんが、今まで直面したことの無い問題に対面することにより、創造力を働かせるもの、その二つがあると考えます。

　子どもはもともと知的好奇心溢れる存在で、知ろうと思う存在です。アクティビティは与えられるものではありますが、生徒にとっては与えられている気がしません。彼らは、とても楽しそうに取り組んでいます。私の個人的な信条ですが、座学は創造力を潰しかねません。学ぶことが楽しいという気持ちが、創造力を育む上で大切なのです。

―日本の場合、勉強は強いられるものなので、学ぶことが楽しいという気持ちは削がれ、成人になると知的好奇心は先進国最低レベルまで低下します。あまりにも強いられ続けるせいか、逆に失敗することに対する恐怖が増すという傾向も見られます。

　失敗を恐れていては、創造力は育まれません。しかし失敗を恐れる生徒が多いことは、米国も変わりがありません。また、教師も同様に失敗を恐れています。そして、生徒は教師が何を正しいと考え、何を評価するかを常に見ようとします。ですから私は、「それを求めることは違うよ」と生徒にメッセージを送り続けながら、創造力を育もうとしています。

―日本の高校生の受け入れについては、どのように考えていますか？

　育った環境や文化が異なる者同士でアイディアを交換することは、創造力を広げます。お互いにとって素晴らしい機会だと思います。

―ありがとうございました。

　創造力を育むには、様々な分野（インターディシプリナリー）が必要です。人間のアイディアをどのようにサイエンスに役立たせるかを考える時、ひとつの分野に偏らず、STEM分野のアイディアを歴史や言語などの他分野とどうつなげていくか、そのバランスがこの分野には欠かせません。そして科学者は、自分の研究を他者に伝えなければいけません。プレゼンや論文はそのための訓練です。

　そもそも科学者である前に、人間であることが大切です。必ず何かしらの決断を下す時が来ます。その時に必要なのが、人間としての道徳心です。STEMだけでなくhumanityもブレンドしなければ、血の通った決断ができません。私も生徒たちに、例えば単に本を読むだけでなく、問題をどのように解決して表現するかを指導しています。それは創造力をモチベートし、生徒はそれを楽しんでいます。

―日本の高校生の受け入れについては、どのように考えていますか？

　世界が小さくなっている今、文化や言葉の違いに感謝できる機会は貴重で、それは今後必ず必要になることです。そこから私たちは様々なことを学べます。このような機会は、お互いにとって素晴らしいことだと思います。

―ありがとうございました。

　私は高校のカリキュラムをオーガナイズしています。課外授業やプロジェクトを考えたり、生徒の生活指導やプロジェクトのアドバイスも行っています。プログラムのオーガナイズで最も大切にしていることは、「インターディシプリナリー」、つまり、分野横断的な視点です。教室内の実験だけでは現実世界とは程遠いため、現実と同じように色々な視点から物事にアプローチすることが大切です。

―日本の高校生の受け入れについては、どのように考えていますか？

　国際感覚を身につけることはミッションのひとつです。実際の交流から、異なる視点や文化を学べることは非常に良いことです。

―ありがとうございました。

　STEM自体は昔からあった考えですが、オバマ大統領がSTEMの重要性を表明して以来、全米的に意識が向上しつつあります。また、米国の教育改革のひとつとして、最近は「チャータースクール」（※２）という、普通の公立学校のルールに縛られない小さな実験的学校が増えています。現在、様々な実験をしている段階で、成功例をより大きな公立学校へ、如何に展開できるかを検討している段階です。

※２：チャータースクールとは、従来の学校制度にとらわれない、新しいタイプの学校。新しい学校を自分たちの手でつくり運営したいと希望する教師や保護者、市民活動家などが、学校の設置許可権限をもつ州の教育委員会等の機関に教育計画を提出し、認可されれば契約（チャーター）を結び、公費によって、独自の教育理念で自律的に学校を運営できる。米国の公教育改革の流れの一つとして、1990年代から増えつつある。ただし、認可は期限付きで、期限内に目標が達成できない場合には学校が閉校になり、その場合の負債は運営者たちが負うことになる。

―それは「小さな学校では実験が成功した」という意味ですか？

　成功した例もあれば、失敗した例もあります。ほとんどのチャータースクールが、まだできたばかりで実験中の段階です。政府のお金を使う場合、私立・公立関係なく、個人ベースのボトムアップでチャータースクールのルールブックの提案があり、問題がなければ地方教育委員会として承認せざるを得ません。ただし公立学校の場合は失敗できないので、教育委員会がみています。通常の公立学校には様々なルールがありますが、チャータースクールの場合、ルールに縛られずに新しいことができます。ただ、少ないとはいえどもルール自体はあるので、ルールの隙を縫いながら、試行錯誤している段階です。

―日本の教育行政は中央政府主導で、ルールは中央政府から地方教育委員会を通じて学校現場へトップダウンで降りてくるシステムで、米国とはシステムが大きく異なります。

　ここはアメリカ（笑）。ルールブックは、政府からのトップダウンではなく、個人ベースのボトムアップで提案されます。カルフォルニア州の場合、州がある程度の金額と権限を地方教育委員会に渡して、地方教育委員会が教育マネージメントを担当しています。マネージメントのために、学校へのお金の分配が適切かどうかを、我々が評価します。我々もやりながら学んでいる状態ですが、このファンディングシステムは自由で良いと思います。

―日本でいう学習指導要領にあたる、全米共通のスタンダードはないのですか？

　日本は単一国家・単一民族だから、よく理解できないかもしれませんが、米国では州によって、まるで別の国のように政策が異なります（教育も州の専管事項）。しかし、米国でも国で決めたスタンダートはあります。例えば科学の場合、各学年で何を学ぶ必要があるかは決まっており、それを習得しているかを試験します。また、昔はメモライズをベースにした教育でしたが、今はメモライズを減らしてサイエンス＆エンジニアリングのプラクティスを増やしています。これは米国でのとても大きな変化です。

―なぜ米国では、それほど大きな改革ができたのですか？

　動機は二つあります。ひとつ目は、１９００年台からのリサーチにより教育の問題点が明らかになり、教育改革に対するボトムアップ的な動きが政府を動かしたからです。特にカルフォルニア州はいち早くこの教育問題に取組んでいますが、他の州はまだ取り組んではいません。しかし、この改革の動きそのものは全米的です。現在は実験中の段階ですが、もしカルフォルニアで成功すれば、他の州も真似するでしょう。もうひとつの動機は、子どもの学習能力の低さです。他国、特にアジア諸国と比べて、米国の子どもの学習能力が低い現状をどうにかしなければいけないという強い危機感があります。

―スタンダードで、特に重視する指針はありますか？

　１点目はCreativityやCritical thinking、二点目はCommunication skillやsharing ideas、３点目はinterdisciblinary、分野横断的な科目間のつながりです。この３点は全米的な動きで、米国の公教育における大きな変革です。５～６年前に数学と芸術、言語を、２年前に科学を変えました。これら改革の成果が現れるには、あと５～１０年はかかるでしょう。

―ありがとうございました。

　私はRSAの勉強スタイルが好きです。プロジェクト型の教育は、自分で自由に考えて、実際にやってみることで、より深く理解することを助けてくれるからです。昔は苦手だった数学も、今は好きになりました。私は生物がとても好きなので、将来は獣医師になりたいです。

　RSAは小さな学校なので、誰もが自分の興味で主役になれる学校。とても気に入っています。
　仙台の高校生たちとの交流事業には、昨年から参加していて、今年はより深く関係しています。日本の高校生たちと交流する中で、自分たちが当たり前だと思っていることに日本の学生が驚いているのを見て（例えば、米国のお菓子「Lemonhead」だけでも、「おお！」と驚いていました（笑））、自分も色々な国に行って同じような体験をしたいと思いました。世界は米国だけではないことは頭では理解していますが、しかし、リアルな交流を通じて感覚としてよくわかります。仙台市とリバーサイド市は姉妹都市ですから、お互いに交流して得るものがあります。ぜひ今後も交流を続けるのが良いと思います。
　将来の夢？それは、クロコダイル・ハンターになること！テレビで色々な動物たちを紹介したいですね。

　今回の海外研修で、米国と日本の考え方や活動の仕方の違いを、最も強く感じました。日本人の場合、課題を与えられると、まず先に頭で考えてしまいますが、RSAの生徒たちは、まずやってみて、手を動かしながら、意見やアイディアを出し合うスタイルでした。
　また、例えば、日本では譲り合うことが普通ですが、RSAの生徒は自分の意見を積極的に主張し、自分の意見が正しいと思えば、決してそれを曲げませんでした。しかし、自分よりも良い意見があれば、すぐ賛成するという柔軟性にも感心しました。
　それに、日本では「あの子、浮いているんじゃない？」というようなことも、米国では細かいことは気にせず、お互いに個性を尊重し合っていました。多様な個性を尊重し合う文化が、世界で活躍する理由だと感じました。
　日本から海外へ出たのは今回初めてでしたが、自分の考え方は閉鎖的だったと初めて気づき、世界は広いと思いました。留学した友人が「高校生のうちに絶対に海外へ行くべきだ」と熱弁を振るっていた理由がよくわかりました。
　今回の経験で、私の今後の人生は大きく変わると思います。頑張った成果が認められ、この機会を手にした分の重みがあり、自信にもつながりました。このような貴重な機会を国と東北大学が支援してくれることは大変有り難いことです。将来いつか、何らかの形で国に貢献して還したいと思っています。

　講師を務めた近藤さんは「ものを見ることが、非常に大事。世の中には、電気顕微鏡で見たものを再現しようと人工的につくられたものが、たくさんある。ものがどんなものでできているか、実感してもらうことが、次の発展につながっていく。そのような面白さの体験は、将来どんな分野に進もうとも、役に立つはず」と話している。

　実験後は、講師の武田順一さん（ソニーセミコンダクタ）から、光の性質や光通信の仕組みなどについて、解説があった。最後に、武田さんは「どうして光通信機が動いたのか、これから勉強して中身をぜひ知ってください」と生徒たちを激励した。

　参加した生徒たちは「本格的な機械を自分でつくれて楽しかった」「実験で予想とは違う結果が出たことがおもしろかった」「自分たちで実験して確かめたことが、先生の解説でわかって楽しかった」などと感想を話していた。担当した武田さんは「科学を好きになってもらうきっかけになってもらえれば」と話している。

　見学会では、支部長の安藤康夫教授（東北大学）が「工学とは？応用物理とは？」と題し、理学と工学の違いや研究生活などについて講演。続いて、青葉山キャンパスと片平キャンパスの２班に分かれ、生徒らは希望する研究室を見学した。

　このうち、青葉山キャンパス見学班では、工学研究科に所属する、次の３研究室を訪問。生徒らは最先端の研究設備に驚きながら、担当教員らの説明に熱心に耳を傾けていた。

　最初に訪れた安藤研究室では、主に現在開発中の超高感度磁気センサについて、永沼博助教から紹介があった。同研究室では、電子の持つ「スピン (微小磁石)」という、物質の磁性の起源となる性質を利用し、新しい電子デバイスの創成を目指しているという。

　生徒らは、まず「世界最強」と言われるネオジム磁石の威力を体感。一般的なフェライト磁石との違いに、驚いた表情を浮かべていた。また、ネオジム磁石や世界初の人工磁石である「KS鋼」が日本人によって発明されたことや、日本が磁石の研究で常に世界のトップを走っていることなども、永沼助教から説明された。

　続いて、開発中の超高感度磁気センサの試作品を見学。鉛筆サイズの小型センサが、時計の秒針の動きから発生すると思われる僅かな磁場を検出する様子に、生徒らは興味津々。最終的には、脳や心臓から発生する微弱な生体磁気を検出できる小型センサの開発を目指すという。

　これら微細な素子をつくるためには、塵や埃の出ない環境が必要なため、作業は「クリーンルーム」と呼ばれる特殊な部屋で行われる。生徒らも、塵の出ない専用スーツに着替え、クリーンルーム内を見学。最先端研究設備に生徒らは「高校とはレベルの違い過ぎる研究内容や設備に、すごいの一言です」と興奮した様子だった。

　次に訪れた藤原研究室では、井原梨恵助教が研究内容をわかりやすく解説。同研究室では、ガラスに熱処理を施すことで、結晶に匹敵する機能性を持った、特殊なガラスをつくる研究を行っているという。

　そもそもガラス（アモルファス）は、構造的な規則性を持たないため、光を透過するのみで、光の制御はできない。しかし、ガラスは不定形であるため、他の元素をたくさん入れられるという特徴がある。一方、構造的な規則性を持つ結晶は、光の方向や色を制御できるが、形はすでに決まっている、という特徴がある。

　そこで同研究室では、ガラスと結晶のいわば”良いとこ取り”をするために、ガラスに熱処理を施し、微細な結晶（nmからμmサイズ*）をガラスの中につくることで「結晶化ガラス」を作製し、物性を制御する研究を行っているという。実際に、電気炉でガラスを作製する様子も実演された。*1000 nm = 1 μm = 0.001 mm。

　最後に、同研究室が開発した、光触媒の機能を持つ結晶化ガラスも紹介された。生徒が一般的な光触媒との違いを質問すると、井原助教は「従来の壁面に使用される光触媒は表面コーティングが多いため、表面が剥げてしまえば機能しないという問題があった。結晶化ガラスは、光触媒機能を半永久的に保てる点が特長」と答えており、生徒らは感心した様子だった。

　最後に訪れた小池研究室では、小池洋二教授が「超伝導」に関する研究内容を講演。超伝導とは、特定の物質を非常に低い温度へ冷却した時に電気抵抗がゼロになり、磁束を排除する現象であることが解説された。同研究室では、超伝導になるメカニズムの実験的な解明や、より高い温度で超伝導になる物質の発見を目指しているという。

　小池教授は「電気抵抗がゼロになれば、発電所から電気をジュール熱のロス無しで送ることができる。現在、超伝導が起きる最高温は135ケルビン（約マイナス138℃）だが、もし室温で超伝導になる物質を発見すれば、ノーベル賞は間違いなし、産業革命が起こるだろう」などと熱く語った。

　生徒らからは「室温で超伝導になる物質発見の見通しは？」「超伝導で電気抵抗は本当にゼロになるのか？」「無限に冷やすことはできるのに、なぜ絶対零度は到達できないのか？」「実際そこまでどうやって冷やすのか？」などと活発な質問があった。小池教授がグラフを用いながら、丁寧に解説すると、生徒らは納得の表情を浮かべていた。

　このほか、仙台二高出身で同研究室に所属している学生と懇親する場もあり、生徒らは、大学生活に関する素朴な疑問を次々と大学生に質問していた。

　参加した生徒らは「普段は入れない場所を見学でき、自分にとって未知の世界を知れて、すごくワクワクした。本当に来て良かった」「疑問に思ったことを自分の納得できるところまで説明してくれて、霧が晴れたような気持ち。ぜひもう一度このような機会が欲しい」などと感想を述べていた。

　教室では、まず松岡隆志教授が「光ファイバ通信」について講演。松岡教授は、企業と大学で光ファイバ通信の研究を長年行っており、当時、実用化が困難だった「青色発光ダイオード」（青色LED）の材料を世界に先駆けて開発した（※）ことで著名である。

※松岡教授は、1989年（当時　NTT基礎研究所研究員、現　東北大学教授）、青色LED用の発光層として、窒化インジウム・ガリウム(InGaN)の単結晶の薄膜成長に世界に先駆けて成功している。

　まず松岡教授は、なぜ光で情報を伝えるのかを、通信の歴史から紹介。電気信号を使った有線と比べ、電気信号を光信号に変えて情報を伝える光通信は、より大量の情報をより遠くへ伝える手段として優れている理由を解説した。

　次に、光を伝える光ファイバと、光を生み出す発光ダイオード（LED）や半導体レーザについて、構造や原理を詳しく解説。生徒らは、現在の大容量・長距離の光ファイバ通信がどのように実現されているかを学んだ。

　講演に続いて、光の三原色を使って音を通信する実験が行われた。担当した谷川智之助教が用意したのは、同研究室オリジナルの光通信キット。音の情報を電気信号からLEDの光信号に変え（送信機）、その光を太陽電池で受け取り電気信号に変えて音の信号に戻す（受信機）装置であるという。

　この実験で生徒らは、光を使えば、離れていても信号を飛ばせること（光通信の原理）や、色の異なる光は混じっても、カラーフィルタで特定の色の光だけを抽出することによって、望みの信号だけを取り出せること（波長多重通信）を体験。また、LEDよりも指向性と単色性に優れた鋭い光を出せる半導体レーザを用いた方が遠くまで通信できることや、さらに光ファイバを用いることで、より遠くまで自在に通信可能であることも、演示実験で学んだ。

　谷川助教は「今日皆さんは、光の三原色の原理と、色（波長）の異なる光を１本の光ファイバに通し、相手で分割して送信する『波長分割多重通信』の原理を体験した。これが一度にたくさんの情報を通信できる理由であり、これと同じ原理で、現在の光通信が行われている」とまとめた。

　最後に「ピカっと光って、音の信号を伝える、クリスマスツリーをつくろう」と、片山竜二准教授による工作教室が行われた。先の実験で学んだしくみと同じ原理で、ツリーのライトで音楽の信号を伝えて、スピーカから音楽を鳴らすクリスマスツリーを楽しく工作しようというものである。

　生徒らはグループに分かれ、赤・青・緑・白色のLEDを40個ずつ音声送信機につなげたり、太陽電池やスピーカなどを配線して受信機を組み立てたりして、協力し合いながらクリスマスツリーに飾り付けを行った。

　そして、やっとクリスマスツリーが完成。教室を暗くし、装置に電源を入れた瞬間、点滅したLEDの光で受信機から音楽が流れると、生徒らは「光った！音楽もちゃんと聴こえた！！」と歓声をあげていた。

　担当した片山准教授は、「光って綺麗だな、音が鳴って綺麗だな。そんな感激がきっかけとなって、僕らは研究を続けている。それは他人から強制されるものではない。今日のように本人たちから拍手が出るような、そんな自発的な感激を少しでも与えられたら」と話していた。

　参加した生徒らは「学校の授業では体験できない実験ができて、楽しかった」「大変で難しかった分、できた時が嬉しかった」「光通信は詳しく知らなかったが、自分で体験して、しくみを理解できた」「LEDの歴史なども学べてよかった」などと話していた。

　見学した理科担当教員は「発展的な学習内容を直に学ぶことができ、我々も勉強になった。高度で難しい内容であっても、原理まできちんと教えた方が、生徒たちも楽しく理解できると感じた」と話していた。

　片山准教授は、「本企画に対してご援助をいただいた応用物理学会本部、総計一千個もの発光ダイオードを寄付いただいた日亜化学工業株式会社、ならびに貴重な機会をご提案くださった仙台市教育局の清野俊也氏、愛宕中学校の八柳善隆校長、河村幸奈教諭に心より感謝申し上げたい」と謝辞を述べている。

　宮城県産業技術総合センターの施設見学・設備操作体験会が１１月１２日、仙台高等専門学校（以下、仙台高専）を招いて行われ、同校マテリアル環境工学科２年生４４名と教員２名が参加した。

　この会は、今年７月に東北大学で開催された『学都「仙台・宮城」サイエンス・デイ』で、仙台高専（リカレンジャー）の出展が、「宮城県産業技術総合センター所長賞」を受賞したことをきっかけに、その副賞として実施されたもの。

　はじめに伊藤努所長から「自分自身が理科が好きでなければ、子どもたちに理科の楽しさは伝えられない。日頃から、失敗もしながら達成感やワクワク感を感じて欲しい。今日はぜひ楽しんで」と挨拶があった。

　続いて、伊藤克利さんが同センターの概要を説明。同センターは県の公設試験研究機関の一つで、本県が掲げる「富県宮城の実現、県内総生産１０兆円への挑戦」の実現を目指し、県内製造業を技術的に支援していることが説明された。

■部品などの３次元画像を計測

　このうち、３次元画像計測・処理を見学した班では、部品などの３次元形状を非接触でスキャンする機器（３次元デジタイザ（３Ｄ-ＣＡＴ））の操作を体験。

　この機器は、測定結果をコンピュータで製図した３次元データ（３Ｄ-ＣＡＤ）と比較して検査したり、３Ｄ-ＣＡＤデータを生成して新たな製品を設計できたりするため、スピーディな試作品づくりに役立つことが説明された。

■プラスチック材料づくりを体験

　プラスチック成形を見学した班では、素材の割合を変えて、好きな色のプラスチック材料をつくる体験を行った。

　同センターでは、用途に応じて素材や割合を変えながら、目的の機能や色を持つ、様々なプラスチック材料を開発できるという。また、金属と比べて、プラスチックは低温で成形可能であるといった特長なども説明された。

■Ｘ線画像処理技術を体験

　Ｘ線ＣＴ装置を見学した班では、サンプル内部を非接触で観察できるＸ線画像処理技術を体験した。

　金属や樹脂を溶かして型に流し込んでつくる部品は、内部にどうしても欠陥ができるため、内部の欠陥を検査する時などに使われるという。なお、欠陥は製法上ゼロにはならないため、欠陥の場所の制御が鋳物企業の腕の見せ所であることも話された。

　参加した学生は「学校にはない最新設備に直に触れることができ、あっという間の充実した時間だった。他にもいろいろな装置を見てみたいと思った」などと感想を述べていた。

いざ、クリーンルームへ

　数十nmスケールで半導体を微細に加工する過程では、わずかな塵が物質の表面に付着するだけでも故障の原因となります。そのため作業は、「クリーンルーム」と呼ばれる、空気中の塵を追い出したクリーンな空間で行われます。なお、配布資料も、クリーンルーム内で使用可能な塵が出ない紙（無塵紙）が使われていました。
　学生らもクリーンルーム用のスーツに着替え、いざ、クリーンルームへ。これから体験するのは、「単結晶シリコン」という材料でつくられた、厚さ525μm、直径100mmのウェハに、実際に微細加工をしていく作業です。

第一の工程／光で目的のパターンを形成

　シリコンウェハに思い通りのパターンを微細に加工する工程は、大きく２つに分かれます。
　第１の工程は、「フォトレジスト」と呼ばれる感光性の材料に、光を使って目的のパターンを焼き付ける作業です（図）。具体的には、まずシリコンウェハに適量のフォトレジストを垂らし、高速回転する専用装置に入れて、遠心力で2μmの厚さに均一に塗ります。
　そして、ウェハを加熱してフォトレジストを固めた後、目的のパターンが描かれた「マスク」をかけて、紫外線を当てます（露光）。
　今回使ったフォトレジストは、光が当たった部分だけ樹脂分子が細かくなり、アルカリ溶液に溶けやすくなる性質があるそうです。すると、光が当たるマスクの窓の部分だけアルカリ溶液に溶けやすくなるため、後で溶液で洗ってやることで、マスクのパターン通りにフォトレジストを残すことができる、という仕組みです（現像）。

　「レジスト」（resist）とは「抵抗する、耐える」の意味ですから、フォトレジストは、この後に続くエッチングなどの処理から、まさに物質表面を保護する役目を負うわけです。
　今回のマスクは、サイエンスデイAWARD受賞を記念した特別デザインを作成いただきました。実際の半導体素子の製造では、このマスクに回路パターン等が描かれるのですね。
　ちなみに、これらの作業は「イエロールーム」と呼ばれる、（波長の長い）黄色い照明を使用したクリーンルームで行われます。蛍光灯に含まれる（波長の短い）紫外線をカットし、フォトレジストの感光を防ぐためです。そのためイエロールーム内はフラッシュ禁止。まさに「光で遊ぼう！」で受賞したリカレンジャーの皆さんに、ぴったりの内容ですね。

第二の工程／剥き出し部分を掘る

　フォトレジストのパターンができた次は、第２の工程として、フォトレジストで保護されていない剥き出し部分を掘る「エッチング」という作業があります。
　エッチングにも目的等に応じて色々な種類があるそうですが、今回は「シリコンの深掘り反応性イオンエッチング（Si DeepRIE：RIE=Reactive Ion Etching）」を体験しました。
　RIEとは、真空容器中で、ガスに電圧をかけてつくり出したイオン（プラズマ）を基板にぶつけることで、物理的・化学的に掘っていく技術です。
　MEMSはより狭く深く掘ることが要求されるため、この深掘りRIEがよく用いられるとのこと。ただし、垂直方向だけでなく同時に水平方向も掘ってしまうため、ではどうするかと言うと、エッチングと保護膜形成を繰り返し行うことで、もとのマスクの形状を保持した厚い構造を作成するそうです。

　具体的には、２種類のガスを交互に使います。まず、フッ素系のガス (SF6など) で垂直かつ水平方向にエッチングを行います。次に、テフロン系のガス（C4F8など）で側壁を保護し横方向のエッチングを抑制します。
　ガスの種類によってプラズマの色も異なるので、実際に、エッチング装置を見ると、どちらのプロセスが行われているかがわかります。こうして狭く深く掘ることを実現する技術は、開発した会社の名前をとって、「ボッシュプロセス」と呼ばれているそうです。
　こうして、30μmの深さまで、狭く深く彫って、エッチングが終了しました。あとは不要になったフォトレジストを薬品で取り除いて、完成です。

半導体に触れる貴重な体験に

　半導体の微細加工技術は、現代の高度情報化社会を支える根幹の科学技術です。しかし、私たちはその恩恵にあずかっているにもかかわらず、それがどんな科学や技術のプロセスでつくられるかは、意外と知らないもの。
　参加した学生らは、「パソコンの部品はこうしてできているんだ」「大学の本格的な研究設備に大変驚いた」といった感想を述べていました。
　戸津准教授は「実際に半導体に触れる機会は少ないと思います。半導体とはどんなものかを知ってもらう機会になれば」と話していました。