METI/JAXA 様へ より抜粋

ref) 産業チームHP : 半導体デバイス照射：紹介文献
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/ref_HIbeam.html

宇宙用半導体試験～理研の場合～Q&A 想定問答集

理研・仁科加速器科学研究センター
産業利用開発チーム
チームリーダー 吉田 敦

<part-1>
Q1 半導体試験が必要なのは？

RIBF施設共用事業 Home Page
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/

Q2 重イオンビームが必要なのは？
Q3 試験に有用な重イオンビームとは？

Flux測定Q4 どういった試験をするのか？
<part-2>
Q5 理研のビームは有用か？

Beam

Q6 理研の利用環境は有用か？

照射ボード

Q7 理研利用の動向は？
宇宙用 空気中照射 試験セットアップ（E5A）

Q9 その解決策は？

24.06 METI殿 レク#1

(お詫び)
既存スライドを用いて解説を付加したので詳細は、既存スライドを参照下さい（各ページ右上に参照箇所あり)

理研・産業チーム・あ吉田

1Q1 半導体試験が必要なのは？

ref) 宇宙用半導体試験屋用 pg. 2

A1: 宇宙には、「２つのバリア ※１」 が無い過酷な環境だから、地上用半導体には想定外の 「宇宙放射線対策」 が必要になる。
※１「磁気バリア」 → 荷電粒子(電子、陽子、重イオン) は曲げられて、北極・南極：無人地域 へ集中→ 更に「大気バリア」中で、殆どが消滅する。

※２

大気バリアの厚さ ＝ 「鉛 90cm」 に相当。
ロケットの壁 厚さ ＝ 「アルミ 1～2cm」 は、何の遮蔽にもならない！ 誰も守ってくれない。
→ だから 「強い半導体」 を 探す・作る しか方策はない。

※１※２24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田2Q2 重イオンビームが必要なのは？ - (1/2)ref) 宇宙用半導体試験屋用 pg. 3

A2a: 宇宙の重イオン線は 「ビーム１発で、半導体エラー」 を発生させるから。
この 「Single Event Effect : SEE 耐性」 の試験が重要となる。
※１「Total Dose 効果」 ＝ 材質が 「ゆっくり と 劣化」 して、半導体特性が劣化 : 例) 太陽電池など→ 劣化速度がわかれば、運用可能年数が割り出せる。

※２「Single Event 効果」 ＝ たまたま 「１発 来たら 故障」 するかも。
→ メーカーは、怖くてたまらない。

Other KWDs
➢ 「電離作用」 による 「擾乱」 でエラー発生➢ 「保護層：モールド材」 を突っ切って、「感応層：電気回路」 の深さまで届く、➢ 「高エネルギー重イオンビーム」 が必須

※２
※１

※３
Other KWDs
➢ SEEは 「ミクロ領域の現象」 なので「高集積化」 ほど、エラーが起こりやすい➢ 高機能で安価な 「COTS品」 や、高性能で高出力な 「通信デバイス」
感応層中の 電圧勾配が大きい→ 放電して焼き切れるなどの試験が急務である※３

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

3Q2 重イオンビームが必要なのは？ - (2/2)ref) 宇宙用半導体試験屋用 pg. 7

A2b: 重イオンの「ビーム１発のパンチ力 : LET値」 は、そのビーム核種によって大きく異なり、「重い核種(元素番号が大きい) ほど、パンチ力が増大」 する。
※１

Other KWDs
➢ 「飛程: Range」 ＝ 半導体中にビームが届く深さ。
➢ 「Bragg Peak」 ＝ ビームが止まる寸前が、一番 LET値が大きくなる。
→ この性質を利用したのが、 HIMAC の 「ガン治療」
表面の皮膚は傷つけずに、深い所のガンだけ殺す※１※２➢ パンチ力 を調整して試験をするには、「ビーム核種 or ビームエネルギー を替える」
しか方策はない。
➢ 大パンチ力 → 重い核種
でも → Range浅くなるなので → 高エネ重イオンビームが必要(次頁参照)※２

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

4

重イオンビームの ”パンチ力” = LET★ Linear Energy Transfer : dE/dx
重イオンビーム

エネルギー E
エネルギー損失 LET

線方向の、単位長さ当りのエネルギー 付与

stop

電離(速度： E＝15 A.MeV)+- + -++ - +-物質 ( Si )● ビームは、物質を電離(イオン化)して、自身はエネルギーを失い、止まる。
● 重いイオンほど・・・
飛程(Range)は短い。

飛程 ( Range [μm] )[ A.MeV ]LET が大きい。

KrAr

⊿E

⊿X

C

微分
[ MeV / (mg /cm 2) ]Kr

Si 中の深さ [μm]ArmaxLET

Bragg PeakC● LET曲線(Bragg Curve) の形状は、ビーム核種 と 標的核種 の組合せで決まる。

★ （LET： ビーム１発のパンチ力）
X （照射時間： パンチの数）＝ （Dose： 照射 ”線量” [Gy], [Sv]）→

Si 中の深さ [μm]★ LETの単位 : dE/dX の定義から明らか[MeV/μm]
材料屋用 (直観的単位、材料密度に注意)[MeV/(mg/cm2)] 物理屋用 (密度込み、材質依存性が少ない汎用単位)
24.06 METI殿 レク#1

今の所、「重イオンの ”ミクロな 大パンチ力”に代わるものが無い！」“Only One“ の 科学技術 → だから売れている。
※ 密度 [g/cm3] * 厚さ [cm]
= 重さ [g/cm2] 単位面積当たり

理研・産業チーム・あ吉田

5Q3 半導体試験に有用な重イオンビームとは？- (1/2)ref) 宇宙用半導体試験屋用 pg. 8

A3a: 重いイオンほど 「半導体中の到達深さ：飛程」 が浅くなるので、「高エネルギー重イオンビーム」 が必須となる。
下図 「LET vs Range プロット」 は、半導体試験屋の“必須アイテム”です。
※１ 前頁「Bragg曲線」を、縦書きにして、※２ 「半導体試験に適したRange ＝ 数10μm～数mm」 が必須です。

Range位置を、下に揃えた図です。

前述 pg.3 : 保護層：モールド材 を突っ切る Range が必要な為。
それ以上は、宇宙生物効果や、ガン治療用です。

生物・人体用※３「ビームエネルギーの補助線」
を、黒点線で示してあります。
高エネになると、Rangeが深くなる。

※４※４

半導体用

※１

※３

例えば Kr ビームの場合は、橙色の線が、Range vs LET の相関です
ビームE を小さくして行くと、横軸: LET 値 は、大きくなり、Bragg Peak の最大値まで増加し、その後は逆に減ってゆく。
「LET範囲」 ＝ 理研のKrで試験可能な範囲※２《重要》➢ この相関曲線は、前述 pg.4 ※2の様に「ビーム核種：Kr」 と 「標的物質:Si」の組合せで一意的に決まるので、「世界中どこの加速器でも同じ曲線」です！
➢ 空気中・半導体試験には、約50～100 A.MeV が最適

LET範囲

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

6Q3 半導体試験に有用な重イオンビームとは？- (2/2)ref) 宇宙用半導体試験屋用 pg. 8

A3b: 衛星の 「行先と耐用年数」 に応じて、どの重イオン線まで試験が必要か？が決まる。
※１※１ JAXAが良く使う 「宇宙線の LET分布図」です。
横軸： LET 値
縦軸： 宇宙線の Flux値 [個/cm2/秒]「Flux」 と 「Fluence」 の違いを覚える事※２《グラフの読み方》※２ 例えば、大きさ 1cm2 のデバイスについて、その耐用年数 ＝ １年 が必要な場合、縦軸： Flux ～ 3.1E-8 [個/cm2/秒] が重要
１年 = 3.2 E+7 [秒] に １個 当たったらエラーなので上グラフを 横方向に見て行き、太陽活動極小期：ピンク曲線 と交わる点 から、※３ 今度は、下グラフを 縦方向に下がって行くと、Fe ビーム の Bragg Peak まで
即ち LET値～ 30 [MeV/(mg/cm2)] までの試験が必要ですね。と、読む。

※３➢ デバイスの行先、耐用年数で試験ビーム核種が異なる
地球近傍： 短期間 : C～Ar, Fe
月、火星…： 長期間 ： ++ Kr～Xe《重要》➢ Kr ビーム が 重要なのは、
ちょうど 「Fe の Bragg Peak を またぐ」 LET範囲なので「地球近傍用 ～ 数年間運用」 の試験に最適だから

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

7Q4 どういった試験をするのか？
A4: 「 LET値 と Flux / Fluence値 を変化」 させながら、エラー発生確率を調べる

エラー発生確率 (断面積)Fe

宇宙線の Flux vs LET分布 前頁参照

地球近傍で寿命１年※１ SRAM の SEU エラーの測定結果 (例)
縦軸1： エラー発生確率横軸 ： 試験パラメータ = LET値
縦軸2： 宇宙線 Flux vs LET 分布《グラフの読み方》
Fe Bragg Peak 位置の LET値で、既に、エラー頻度が最大 (サチっている)→ 地球近傍軌道(LEO) で１年運用すると、
ほぼ 100% 故障する
→ このプロセッサーは、採用困難《調べる 「エラーの種類」》

 試験パラメータ = LET値
Flux, Fluenceの場合もある

Ref.) JST CREST : JAXA 久保山 ※１
宇宙機システム用マイクロプロセッサにおけるディペンダビリティについて
https://www.jst.go.jp/crest/dvlsi/topics/081206ws/081206DVLSIWSkuboyama.pdf

一時的エラー = リセットすれば、復帰可能
SEU : Single Event Upset
ビット反転
SET : “” Transient過渡的状態
SEFI : “” Function Interrupt 機能不全
永久故障 = ハードエラー
SEL : “” Latch-up
ハング・過電流SEB : “” Burn-out
回路焼き切れSEGR : “” Gate Rupture
論理回路破壊各品種について、これらの 「複数種類のエラー試験」 が行われる。

《重要》 照射施設に求められるモノ➢ LET と Flux が可変 である事
➢ それらを 細かく調整可能である事➢ それらを 基礎データとして提供 出来る事

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

8ここまでが 基礎知識 (素養編) でした。
それを元に以降では、「宇宙利用者目線」 で、 理研を評価 (査定編) してみます。

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

9Q5 理研のビームは有用か？ -(1/2)ref) 見学案内用資料 pg. 1, 2

A5a: 他施設と比べて 高エネ なので、 「空気中照射」 が可能、LET調整に余裕あり
世界の他施設との比較： LET vs Range

空気中照射

国内施設との比較： ビームエネルギー

真空中照射～10 A.MeV➢ ビームエネルギー：加速器より が 「約 10 A.MeV」 が、真空中 / 空気中 照射の境目 になる。
真空中: 高崎 TIARA, BNL バンデグラフ➢ 半導体照射は 今の所 「RRC」 まで(11～135 A.MeV)

24.06 METI殿 レク#1

空気中： 理研、Texas TAM, LBL 等➢ 各施設 : LETを細かく調整できるように加速器エネルギーを調整
理研： エネルギー減衰板で、連続的にLET値調整
どちらの方式にも、一長一短あり

理研・産業チーム・あ吉田

10Q5 理研のビームは有用か？ -(2/2)
A5b: 利用者目線で見た、 「採点表」 は・・・
採点項目

採点

ビーム核種
核種切替え

C, Ar, Kr, Xe１日必要

将来 Pbも予定
高崎TIARAの様にカクテルビームは不可

ビームエネルギー
大気中照射

◎△
◎
◎

50～100 A.MeV
大気距離 ≧30cm

LET調整

〇

E減衰板方式

エネルギー変更

△

１日弱必要

〇

Φ5cm まで〇±10%以内半導体用Rangeに十分照射物設置スペースに余裕ありアルミ5μm精度で調整可能。
加速器で調整は不可。
加速調整のやり直しになる
散乱膜＋Wobbler電磁石方式。
TIARAの様な多重極磁石ではない。
但し、周辺部は 60Hzで強弱変化有り〇〇◎

10～1E+7 [個/cm2/sec]

ビームライン上のメッシュ状Attenuatorでビームサイズ
Flux分布一様性
ビームFlux
Flux範囲Flux微調整
Flux安定性

24.06 METI殿 レク#1

スペック

備考

1/2,1/3,…1/10… 1E^-9まで、ほぼ自由に変更可能。
DC ビーム
常に安定している

理研・産業チーム・あ吉田

11Q6 理研の利用環境は有用か？ -(1/3)ref) 初めてご利用の企業様へ pg. 6～9ref) 宇科連#67 pg. 3～5

A6a: 「照射環境は完備」 されているが・・・、
照射セットアップ ＝ 便利・完備

照射物の交換 ＝ 簡易・準備が楽● 照射ボード交換
アルミフレーム材 → A4まで自由サイズに対応

ビーム調整 ＝ 施設側で測定

LET調整 ＝ Userが設定可能
Fluxモニター ＝ トレンドデータ提供《重要》➢ 「ビームモニター」が整備されている→ 利用者側では測定が困難→ 利用者は試験に集中できる➢ 「準備が容易」→ 一番時間がかかる作業→ 遠隔操作＝照射時間の短縮
人件費の節約に重要

24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

12Q6 理研の利用環境は有用か？ -(2/3)
A6b: 「利用日程 が 大混雑」 で問題あり➢➢

利用者は、試験時間 １２ｈｒ で、 １０～２０品種
Run条件数 50～200 パラメータ の試験をしている。
４～６人でシフトを組み、昼夜ぶっ続けで測定ref) 宇科連#67 pg. 3～5, 12
５～７社・同時利用 対策 (苦肉の策)● User架台● 架台交換各社が１台占有、棚に計測器 切り離し、目隠しをして保管

MT日程は”超過密” : 同じ核種で、複数社が連続利用利用前日迄に、予め準備を完了させておく！ 架台７社分あり。

スロット制で、複数社・連続利用 (苦肉の策)
事前準備も綱渡り 状態 : E5照射中でも 隣室E6 で準備《重要》➢ ビームラインは「利用者に占有される」→ 占有時間を短く・素早く交代できるか？
→ 準備がしやすい施設か？
が、施設側にとっても重要➢ 本来、この様な試験施設は 「昼間利用であるべき」→ 夜シフトは 「夜間割引」 をすべきでは？
24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

13Q6 理研の利用環境は有用か？ -(3/3)
A6c: 利用者目線で見た、 「採点表」 は・・・
採点項目

採点

Fluxモニター
Flux測定精度・範囲分割利用◎◎◎◎△
◎
◎
〇
△〇×△
△〇

利用時間帯

×LET調整・遠隔操作
LET測定精度・範囲
LET巾、ビーム純度照射セットアップ
照射位置遠隔制御
照射物交換
測定器スペース
事前準備
ビームタイム日程
利用申請
スケジュール柔軟性

24.06 METI殿 レク#1

スペック
常時トレンドグラフ表示
10～1E+7 [個/cm2/sec]

備考
5秒ごとのCSVデータで提供
PLシンチ vs 電離箱で毎回較正

Userが自由に変更可能
LET計算も補助している
アルミ相当 5μm精度でBragg Peak 近傍の微妙な調整が可能
E減衰板方式なので、巾が広がる。核反応生成物混入。
完備
更に毎回進化中
XY-スライダー、ビームコリメーター、TVカメラ等完備
取付治具が容易、多数常備
管理区域の入退室に10分以上のタイムロスあり
User架台を占有し、測定器を設置。 E5照射室は狭い。
前日までに、他社と顔を合わさずに準備。
大混雑有償利用でも落とされる半期ごと。有効期限２年間。実施日程は毎回希望調査提出
日程決定後の、飛入り＆キャンセル不可
有効期限以内なら、分割実施可能
核種毎にpackingされ、他社連続利用を強いられる
夜中シフトになることもある
広いLET範囲測定には、何日もかかる。

理研・産業チーム・あ吉田

14Q7 理研利用の動向は？ -(1/2)
【 ビーム核種別 集計 】

10日

20日

30日

殆ど Kr と Ar
Xe, C も少しずつ増加→ 先ず当面はKr と Ar の MT枠確保 が肝要
FY2024 Kr : Ar : Xe : C＝ 55％ : 36% : 6% : 3%

18,000 hr / year

12,0006,000➢ 利用時間 日本 : 米国 ～ 1 : 20

FY20予測➢ 米国動向の２～３年遅れで日本も増加中に見える。

→ 理研も 今の 1.5 ～ ２倍 (60日/年) になりそうな…

24.06 METI殿 レク#1

FY24Ref) NASA ; Domestic Heavy Ion Facilities for Science, Engineering, and Medicine (2021)
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220001810/downloads/
LaBel-2022-WANDA-Heavy-Ion-Facility-CONUS-Overview-v2.pdf→ コレ良いレポートですね。 JAXAもコレくらい作るべきでは？

理研・産業チーム・あ吉田

15

Q7 理研利用の動向は？ -(2/2)
【 会社別 集計 】

JAXA案件 １０年前から x ( ２～３倍) に増加

試験会社
単発で終了

24.06 METI殿 レク#1

５年前から x ( ～２倍) で頭打ち？ 人手不足か？

NewSpace ３年前から x ( ＞４倍) に急増中

理研・産業チーム・あ吉田FY2024 JAXA : 試験 : NewSp＝ 43％ : 26% : 31%→ JAXA : それ以外～
１ : １
を考慮して、MT枠確保 が肝要！

16

Q9 その解決策は？ (投資判断基準・費用対効果は？)「宇宙利用者目線」 で考えて・・・ 当面５～10年間で 十分な宇宙利用MT日数枠の確保は？
 Ar～Kr も、十分に確保可能か？ ～BeamON/OFF, Flux調整の優先度～
 リスク管理は？ 理研だけで良いのか？ ～加速器はよく故障する～
 どの施設が、いち早く、MT日数を提供できそうか？
 いっそ、宇宙専用加速器を作った方が安い？ ～維持経費が高いけど～24.06 METI殿 レク#1

理研・産業チーム・あ吉田

17