第0008号

SOIコンソ便り
CONTENTS

１．ご挨拶
２．2021年度MPWラン
３. 研究紹介：「機械工学・材料工学分野へのSOI検出器の応用について 」
４．編集後記

１．ご挨拶

2019年6月に森戸記念館でSOI量子イメージセンサ・コンソーシアムの設立総会を行ってから、まもなく３年が経過します。当初より３年間の時限で立ち上げたこのコンソーシアムも、今月でめでたく使命を終えることになりました。
しかしながら、このように半導体の持つポテンシャルを最大限引き出せる技術は、国内においても世界的に見ても非常に貴重であるということで、ラピス・セミコンダクタ社のご協力を得ながら今後も継続できるように努力していくつもりです。ぜひ今後ともお力添えをお願い致します。
高エネルギー加速器研究機構におけるメンバーは諸事情により減ってしまった為、今後の開発の中心は大学に担っていただく予定です。このコンソーシアムは、引き続き 情報交換を行うためのSpecial Interest Group (SIG)として維持していきたいと思います。
2． 2021年度 MPW ラン
2021年度のMulti Project Wafer (MPW)ランが2021年12月初めにサブミットされ、2022年3月末までに納入されました。今回は、東大、京大、宮崎大グループが大面積センサーを投入することで、マスク面積を埋める事が出来無事MPWランを行えました。
今回のランでは、センサー以外にも東大のMEMSを初め、筑波大の極低温エレクトロニク
ス、金沢工大のSuper Steep Transistor 等様々な種類のチップがサブミットされました。
さらに電通大の範教授からは、Digital LibraryにMemory Generatorが加わり、8bit CPU, 32bit
RISC-V processor 等がサブミットされました。また今回も海外からのサブミットもありました。
さらには、前回のMPWランで製造したセンサーに対する、3D積層も始まっています。

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機械工学・材料工学分野への SOI 検出器の応用について― 重要部品の疲労・材料強度保障のための X 線残留応力測定装置への適用 ―金沢大学
高エネルギー加速器研究機構
株式会社不二越滋賀大学
高エネルギー加速器研究機構
高エネルギー加速器研究機構

佐々木 敏彦西村 龍太郎
乾 典規
三井 真吾
新井 康夫
三好 敏喜

１．はじめに本稿では，SOI(Silicon On Insulator)検出器の工に，コンクリート構造物の鉄筋から、橋や原子力プラ業的応用の一つとして、機械や構造物の強度や耐ント等の溶接部などが挙げられ多岐に渡っている。

久性に影響する「残留応力」の測定に利用する取り

なお、残留応力の測定には、X 線以外にも磁気組みについて紹介する。

や超音波，電気抵抗等を利用する方法から、数値計算によるものなど種々のものが提案されており，

２．X 線による残留応力の測定用途に応じて使い分けられている。これらの内，X

２．１

線法は非破壊、非接触で局部の測定が可能であり、残留応力

まず，残留応力とは何か？なぜ測定する必要があるか？という点について簡単に説明する[1]。
応力は，物質中の力の状態を表す量として，機最も高精度と言われている。一方，測定時間やコスト，測定深さなど弱点も有している。
２．２

X 線による残留応力の測定

械や，建築，土木分野における強度設計に用いらX 線によって残留応力が測定できることは、1920れている。応力には、外力によって発生するものの年代にアメリカやドイツで最初に提唱され、初期に他に、外力が無い状態でも物質中に存在しているもは写真フィルムが X 線検出器として用いられた。第のもある。後者を残留応力という。発生の仕方は異二次大戦後の 1950 年代にディフラクトメータや計数なるが、本質は同様である。なお、残留応力は物質管が登場し，1970 年頃に X 線残留応力測定用のの一部に何らかの原因で塑性変形が生じることによ専用機が上市された。これ以降，この方式が普及し，って発生し、物体内部で釣り合っているという特徴現在の世界標準技術となっている。この場合の測がある。また、クラック（き裂）などの応力集中部に正定原理には「sin2ψ法」と称されるものが用いられての応力（引張応力）があると，き裂が拡大しやすくないる[2]。

るため破壊する危険性が高まる。逆に，負の応力

その後，1980 年代頃にラインセンサーの一種で（圧縮応力）があると，壊れにくくなる。このため、機ある PSPC(Position Sensitive Proportional Counter)

械や構造物においては引張応力を抑制すると共に、 が登場し，測定時間の短縮に寄与した。この頃，圧縮応力を付与することも行われる。しかし、残留IP(Image Plate)も利用可能になり，デバイリング（回応力の評価は困難な場合が多い。一方，近年の小折環、図１参照）の二次元測定が可能になった。一型軽量化や省エネ対策の観点においても、残留応方，同じ頃 cosα法と呼ばれる新しい X 線応力測定

力の管理や制御を正確かつ効率よく実現したいと原理が日本で提案された(1978)[3]。cosα法は回折いう要求があり、重要性が増しつつある。具体的な環全体の情報を利用して応力を解析する方法であ

例としては，自動車の歯車や軸受（ベアリング）等かるのに対し、sin2ψ法は回折環のほんの一部分しから，航空機のエンジン部品（タービンブレード），さら利用しないという違いがある。

3金沢大学では、1993 年から IP と cosα法を柱とエーションがあり、その中で X 線用の電荷積分型検する X 線応力測定の基礎研究を開始し、2009 年の出器として開発されたものが INTPIX4 である[11]。

科学技術振興機構（JST）主催による新技術説明会

その後、金沢大学、KEK、不二越の協力の下、X 線[4]にて装置化へのパートナー企業を募った。その応力測定への検証や課題の洗い出しが進められ、結果、2012 年に IP と cosα 法を主体とした X 線応改良型である INTPIX4NA が開発された。表１に、力測定装置が世界に先駆けて誕生した[5]。

その基本的な仕様を示す。

回折環(裏面)Ｘ線

図１．Ｘ線応力測定の光学系と回折環（従来のsin2ψ法は回折環の中心角α=180°のデータのみを利用し、cosα法は 0°から 360 までを利用する。）
この装置により、当時の標準装置と比べて大幅な測定時間の短縮と装置の小型化が実現し、現在も普及しつつある。
一方、金沢大学では IP に代わり SOI 検出器を使用するための基礎研究を、2014 年頃から高エネルギー加速器研究機構(KEK)の SOI 検出器グループの協力の下で進め、X 線応力測定の高速化に取り組んだ。当初は、SOI 検出器のひとつ“INTPIX4“という名前の検出器を適用し[6]、その後、INTPIX4 を改良した INTPIX4NA の実現[7]と、それを用いた X線応力測定装置の研究開発に取り組んでいる。
以下、3 章では INTPIX4NA の性能検証（西村担当[7]）、応力測定装置の試作（乾担当[8]）、三軸応力分布のマッピング測定への利用（佐々木担当[9]）について、それぞれ、概説する。

３．新開発した INTPIX4NA
SOI 検出器[10]には、目的に応じて幾つかのバリ

表 1 INTPIX4NA 検出器の概要[7]Chip size

15.4 × 10.2 mm2Sensitive area

14.1 × 8.7 mm2

Pixel matrixPixel size

832 columns × 512
rows (425,984 pixels)
17 × 17 µm2

Pixel gain (designed)

12.8 µV/e

Shutter

Global Shutter

Thickness of sensor
layer
Sensor layer wafer

300 µm (Typical)
N type Floating Zone
wafer

INTPIX4NA の性能評価が、KEK つくばキャンパ
スにおける放射光実験施設フォトンファクトリーの実験ステーション BL-14A 及び BL-14B を用いて実施された。INTPIX4NA の性能評価における基本的な項目である①解像特性、②エネルギー分解能、③ピクセルゲイン、④セトリング時間、に関する評価について、
X 線応力測定の標準的条件に近い X 線エネルギー(5.415 keV、8 keV、12 keV)、および、検出器運用条件(大気中、常温 (25～27 ℃)下)にて実施し、以下の結果を得た。(詳細は文献 [7]参照)① 解像特性；・ナイキスト周波数(29.4 cycle/mm)における MTF は ピクセルアレイの Column 方向・Row 方向のいずれにおいても 50% 以上を記録。
・50% MTF および 10% MTF は、ナイキス
ト周波数を大幅に超える値を示したことか
ら、本検出器は高い解像特性を持つことが示された。
② エネルギー分解能；・測定対象のピクセルについて、エネルギー4分解能は、室温で 5.415 keV で 35.3%–46.2%、8 keV で 21.7%–35.6%、12 keV で15.7%–19.4%であった。
③ ピクセルゲイン；

称値と本システムの測定結果を比較した。
なお、メーカーでの市販の cosα 法装置による X
線応力測定の結果より、応力の公称値は無応力片で 0MPa、高応力で-374MPa であった。

・測定対象のピクセルについて、ピクセルゲ

本測定では、用いた XY ステージに試料を設置

インは 9.3–10.6 µV/e であった。これは前述し、Zψ0 ステージに測定ユニットを搭載した。XY スの設計値に対してわずかに低いものの、想テージでは、試料の XY 平面上での測定位置を、Z定範囲内である。

ステージでは試料とセンサー間の距離を、ψ0 ステー④ セトリング時間；

ジでは X 線入射角をそれぞれ制御した。本構成に・試験セットアップにおいて、出力特性を維より、XY ステージ移動とセンサー基板の出力読出持できる最短のセトリング時間は 1 ピクセシステムを同期することで、多点自動測定や XY 平

ル 当 た り 200 ns で あ っ た 。 こ れ は面揺動測定が容易に行うことができる。

INTPIX4NA 全体を読み出した場合のフレ両標準片に対し、30 回連続で応力測定を行うこームレートで 153 fps に相当する。
・出力特性の低下が許容できる場合は、1 ピクセル当たり 80 ns(フレームレート換算350fps)まで短縮することが可能であることが確認された。
以上より、INTPIX4NA は著者らの意図した通りに、X 線応力測定への適用に十分な特性を備えて

図 2 INTPIX4NA による X 線計測システム[8]いることが確認された。また、X 線イメージング用の検出器として良好な性能を備えていることから、放射光実験施設における高精度な X 線応力測定への適用および他の X 線イメージング用途への応用も視野に入れた研究が継続されている。

４．INTPIX4NA によるＸ線応力測定システム試作した X 線応力測定装置の構成を図 2 に示

図 3．2 枚の INTPIX4NA チップを使用した応力す。本装置は、X 線管球およびセンサー基板を搭測定用センサー基板[8]載した測定ユニット、X 線出力電源、センサー基板からの出力読出システム、制御用 PC から構成され、
図 3 に示すセンサー基板に実装した 2 枚のINTPIX4NA チップにより、回折環を計測する。
X 線照射時間は、1 測定あたり 100 ミリ秒の画像を10 枚積算することで 1 秒とした。次に、X 線照射時間を 1 秒としたときの回折 X 線ピークおよび連続測定精度の確認結果について述べる。市販の応力標準片(新東工業株式会社製)に対し、メーカーの公図 4. 無応力片からの回折環[8]5するという課題があった[12]。
こうした測定に対して、SOI 検出器と cosα 法を組み合わせたＸ線応力測定では、前章までの（平面応力）測定以上に測定の効率化が可能になる。一例として鉄道レールの測定例を紹介する[9]。
図 6 に、測定に用いたレールを示す。レールの頭頂面全体について、5mm 間隔にＸ線を照射してそれぞれ回折環を測定した。本稿では、垂直な方向からＸ線を照射して測定した回折環から、深さ方向に関するせん断応力 τxz を解析して求めた結果
図 5. INTPIX4NA を用いた X 線応力測定装置による応力試験片に対する測定結果[8]について述べる。なお、x はレールの長手方向（列車の走行方向）、z は深さ方向とした。
図 7 は、SOI 検出器（INTPIX4）を用いて測定とで、連続測定精度を検証とした。まず、無応力片したせん断残留応力 τxz を、IP の結果と並べて示の測定の１回目で得られた回折環を図 4 に示す。図している。その結果、τxz の高い正の値がレールより、均一な回折環が得られたことが確認できる。なの中心線上に存在することが分かった。これはお、回折環を画像解析して回折環の半径方向の X車輪との接触部分とほぼ一致している。なお、

線プロフィルを求めた結果、良好な S/N 比が得られSOI 検出器と IP の結果における細部の相違の原たことを確認した。また、各α角の回折プロフィルを因には、測定位置の不一致、回折環の中心角 α の解析することで得られた cosα 線図は線形性が良く、計測範囲の差、位置分解能と画像処理条件の差

応力値は-6±3MPa と十分な測定精度であり、実用等が考えられ、現在検討中である。

上支障のない結果が得られた。
両標準片の 30 回連続測定結果から得られた応力値は、図 5 に示すように設定した閾値である応力公称値±30MPa 以内を満足した。30 回の応力の平均 値 は 無 応 力 片 で 9±10MPa 、 高 応 力 片 で 358±7MPa であった。

図 6． 測定サンプル（鉄道のレール）[9]-90--70-70--50-50--30-30--10-10-1010-3030-5050-7070-90

90-1003530５．三軸応力分布のマッピング測定

2520SOI15上記のような X 線応力測定の高速化の実現の動105きに伴い、従来は点測定や線上の離散的な分布測

05101520-90--70253035-70--50404550-50--30556065-30--107075

80-10-10859010-30095 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 15030-5050-7070-9090-10035定に留まっていた適用方法から、面上にマッピング

3025測定することが現実的な範疇となりつつある。

IP201510

一方、鋼材の研削加工面やショットピーニング処

50

理面、転動接触面である軸受の軌道面や鉄道のレ

51015202530354045505560657075808590095 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150ール（頭頂面）などでは、三軸応力成分が出現する

図 7. 鉄道レールの三軸応力測定結果の一例（せ結果、より多くの方向からの回折環測定を必要とす

ん断応力 τxz のマッピング測定、IP と SOI の比較）るため、従来の X 線応力測定技術では長時間を要[9].

6一方、今回測定を行った全 279 点に対する測定時間は、SOI 検出器が 4 分 8 秒、IP が 4 時間 8 分であった。よって、SOI ピクセル検出器の使用は、IPに比べて 60 倍高速なデータ収集が可能となることが実証された。レールの検査の場合のように、測定範囲が比較的長く、測定点数の多い場合には、実用上、測定の高速化は重要になる。
６．まとめ

回折環を二次元計測して cosα 法を適用するＸ
線応力測定において、SOI 検出器が有効であるとSpringer. (2013).
[3] 平, 田中, 山崎, 材料、Vol.27, No.294, pp.
251-256, (1978).
[4] 科学技術振興機構, 金沢大学 新技術説明会,
2009 年 07 月 28 日,
https://shingi.jst.go.jp/list/list_2009/2009_kanazawa.
html#20090728X-001[5] パルステック工業,
https://www.pulstec.co.jp/product/x-ray/[6] 佐々木，三井，新谷，柳，西村，三好，新井，
検査技術，(2018)．
[7] R.Nishimura et al., IOP, JINST, Vol. 16, p.
P08054, (2021).

定装置の試作状況、そして、INTPIX4 による三軸[8] 乾, 佐々木, 三井, 日本非破壊検査協会、秋季講演大会、2021 年 11 月 11 日、東京.
[9] T. Sasaki, et al., Elsevier, Nucl. Instrum. Meth.
A, Vol. 979(504), p.164426, (2020).
[10] Y.Arai et al., Elsevier, Nucl. Instrum.

応力のマッピング測定について紹介した。

Meth. A, Vol. 623, pp. 186-188, (2010).

共に、IP に比べて約 60 倍程度の高速化が可能なことが分かった。本稿では、新開発の SOI 検出器チップである INTPIX4NA の性能評価、応力測[11] S.Mitsui et al., Elsevier, Nucl. Instrum.
＜参考文献＞

Meth. A, Vol. 953, p. 163106, (2020).

[1] 須藤 一，残留応力とゆがみ，内田老鶴圃，(1988).
[2] I. C. Noyan & J. B. Cohen, Residual stress:Measurement by Diffraction and Interpretation.

[12] 佐々木，廣瀬, 日本機械学会論文集, (A),vol.61, No.590, pp.2288-2295, (1995).

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４．編集後記
SOIコンソも予定の3年間が終わり次のステップに入られるとの事、初代の代表として益々のご発展を祈るばかりです。途中で辞任しなければならず今でも大変申し訳なく思っておりますが、このように予定の3年を満了できましたのは新井先生はじめ、前代表の三好先生、陰ながら支えていただいたスタッフの方、そして何よりも会員の皆様のご協力の賜物です。特徴を持っている技術ですので、これからもこの技術が発展していくこと望みます。またどこかで皆様とお会いできること楽しみにし、皆様の今後のご発展を祈っております。
（初代代表 倉知郁生）
2代目代表として今年度スタートし、当初は何回か会報を出すことを考えておりましたが、様々な事情があり2021年12月末にKEKを離れました。中途半端な形で引き継いでしまい大
変心苦しかったのですが、今ではSOI研究に携わる若い研究者は全国各地に居ります。次のステップに進むとの事ですが、ここで得られた人脈、知見はとても貴重な財産だと思います。今後ともさらなる発展を願っております。
（２代目代表 三好敏喜）
２００５年にSOI技術を用いた放射線イメージセンサー開発を提案してから１７年が経ちます。
ここまで継続できたのは、多くの方のご支援と協力によるものと感謝しています。今もまだKEKに在籍していますが、定年を過ぎ研究開発は若い方にバトンタッチし、研究サポート及び産学連携に努めています。今後KEKでのアクテビティは一旦減ってしまうと思いますが、京都大、宮崎大、筑波大、理科大、金沢大、金沢工大、茨城大、静岡大、北大、都立産業技術高専、仙台高専、理研や東大等々、引き続き活発にSOI開発を続ける研究者が大勢いますので、ますます発展していくものと思います。
(発起人代表 新井康夫)

2022年3月31日発行
http://rd.kek.jp/project/soi/conso/〒305-0801 つくば市大穂１−１
高エネルギー加速器研究機構 先端加速器推進部
SOI量子イメージセンサコンソーシアム 事務局
treiko@post.kek.jp8