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Ver.0901

宇宙利用半導体には、重イオンビーム試験が必要です by JAXA
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
RIBF施設共用事業 Home Page
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/➢ 産業利用開発チームの仕事「加速器のビームを売る」
半導体の試験方法は、全くわかりません・・・。
➢ 試験は、利用者が行います。
受託試験はやっていません。

宇宙利用半導体・照射試験コース(E5A) 見学
22.09/06 創る会

理研仁科・産業チーム・吉田1

JAXA “納品仕様書”よりref) 宇宙転用可能部品の宇宙適用ハンドブック （長寿命衛星編） 長寿命衛星＝ 静止軌道上で 設計寿命 20年 を想定
https://sma.jaxa.jp/TechDoc/Docs/JAXA-JERG-2-023.pdf

使用している全ての部品について確認が必要【 試験項目】
・ 衝撃、振動・ 電気・温度耐久
・ アウトガス etc.

（今まで）

宇宙用開発品→ 一般試験場で可能

・ 認定品(JAXA, NASA, MIL)

・ 放射線試験・ 国策で開発

トータルドーズ
シングルイベント→ 加速器施設

（最近は）

が必要

地上用民生品
☓家電用
〇産業用
〇自動車用
〇高信頼性

pg.10 図4.1-1 宇宙転用可能な部品の宇宙適用概念

22.09/06 創る会

地上用民生部品の「宇宙転用」を促進しないと宇宙開発に間に合わない！

理研仁科・産業チーム・吉田

2

～宇宙ビジネス世紀 到来～
NASA+JAXA+…
「月ゲートウェイ」~アルテミス計画~
２０３０年代「月に住む」➢ 資源探査 (水,レアアース)➢ 居住環境整備➢ 食料調達➢ 重力 地球の1/6「そして火星へ」
でも月には、★ 空気なし★ 宇宙線の被ばく大~ 月面農場 計画 ~ref) JAXA 日本の国際宇宙探査シナリオ(案) 2021 （公開版） EZA-2021001
https://www.exploration.jaxa.jp/assets/img/news/pdf/scenario/2021/Scenario2021.pdfref) JAXA 月面農場ワーキンググループ検討報告書
https://www.ihub-tansa.jaxa.jp/topics/Lunarfarming.html#AFSE

22.09/06 創る会

理研仁科・産業チーム・吉田3

「地上」は ２つのバリア で守られている

第１バリア
磁気圏ref) RIST ATOMICA
宇宙船搭乗員の放射線防護 (09-02-07-09)

第２バリア
大気圏

核反応～100km

空気シャワー太陽風
電子、オーロラ

バンアレン帯
地球半径の４倍

軽粒子しか届かない

東京～大阪間

静止軌道(36,000km)
地球半径の６倍● 被ばく： １次宇宙線 電子、陽子、重イオン線

地上

1気圧= 1kg/cm2 ～ 鉛(ρ11) 9cm厚の遮蔽● 被ばく： ２次宇宙線 中性子、μ粒子線

残念ながら、月には 磁気圏 も 大気圏 も無いそうです…
星の中まで固まってるので

22.09/06 創る会

重力が弱くて空気が逃げたので理研仁科・産業チーム・吉田4

火星に人工バリアを作る！？

L1 ラグランジュ点
太陽風火星

火星は、重力が 地球の約 1/3。
地中に 水、CO2 があるが、磁場が弱い (マントル対流小) ので、太陽風で吹き飛ばされ続けている。
大気圧は、地球の 約 1/100
火星 “テラ・フォーミング” 計画→ 「人工磁気圏」を作れば、太陽風を防ぎ、大気圧が上昇する。

人工磁気圏電磁石
B= 1～2 Tesla→ ？数千年必要か？
その前に、 UAE は 「火星都市計画」 策定中ref) Newsweek 日本版 2017年3月7日（火）17時30分 高森郁哉
人工磁場で太陽風防ぎ、火星を居住可能に：NASAが新計画を提案
https://www.newsweekjapan.jp/stories/world/2017/03/nasa-3.php
2050 年惑星ビジョン Workshop 2017 (LPI Contrib. No. 1989) J.L.Green, et.al.

ラグランジュ点ref) Wikipedia

太陽

太陽を公転する惑星の「重力・安定点」
L1～L5 の５点ある。
L4, L5 は、トロヤ点(正三角形解)

惑星

太陽惑星ラグランジュ点の安定性。
内向き▼方向に安定、外向き▲方向に不安定。

22.09/06 創る会

理研仁科・産業チーム・吉田5

粒子線による 半導体のエラー
《宇宙用》

《地上用》

シングル・イベント (SE) 効果 エラー《宇宙用》

Total Ionizing Dose 効果 エラー“多量の軽イオンビーム”(電子、陽子,α線)による“弾き出し”、”格子欠陥”

で 材質特性が劣化

最近の半導体は ”高集積化” により、ビーム “1発” で エラーが発生する。
[軽症] → ビット反転エラー (SE.Upset)→ 半導体故障で、ロケット：70～100億円 が パーメーカーの損害賠償問題になる！

[重症] → 回路が焼ききれる (SE.Burnout)

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理研仁科・産業チーム・吉田6重イオンビームの ”パンチ力” = LET“電離作用” の尺度
重イオンビーム
電離

エネルギー損失 LET

エネルギー E

(速度： 15 A.MeV)

Linear Energy Transfer : dE/dx

stop+- + -++ - +-物質 ( Si )● ビームは物質を電離(イオン化)して、エネルギーを失い、止まる。

飛程 (Range)● 重いイオンほど・・・
飛程(Range)は短い。

[ A.MeV ]

Kr

Ar

⊿E

LET が大きい。

⊿X

C● 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。

微分[ MeV / (mg /cm 2) ]Kr

Si 中の深さ [μm]ArmaxLET

線方向の、単位長さ当りのエネルギー 付与

Bragg PeakC★ （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]

→ 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。
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理研仁科・産業チーム・吉田7

半導体試験に必要な LET、Range➢ 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

Flux フラックス➢ 高エネルギー なので 遮蔽困難

単位面積・時間当りのビーム粒子数

銀河宇宙線のエネルギー分布* ref.1)

理研では➢ ビーム E を減衰させて広いLET範囲で試験が可能➢ ビームの飛程(Range [µm] ）がデバイス感応層まで届く事！
※ デバイス表面のモールド材等の厚さも考慮が必要。
Total Ionizing Dose 試験

Single Event Effect 試験* ref.1) ATOMICA_宇宙放射線の影響研究の現状 09-01-06-06 図1より
hｔｔps://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_09-01-06-06.html

22.09/06 創る会

理研仁科・産業チーム・吉田★ 空気中・半導体試験には、約50～100 A.MeV が最適
8宇宙用半導体の重イオン試験 @ 理研・仁科見学➢ 高エネルギー重イオンビームなので、社内試験と同じセットアップで空気中で照射 （配線、交換が楽）➢ エネルギー減衰板(Al) を用いて、LET値を広い範囲で調整して照射試験利用者が自由に変更可➢ フラックス強度 (透過型検出器で常時測定)
数10 ～ 10 7 個/秒/cm2➢ フラックス分布一様性
常設架台
22.09/06 創る会

User架台（分離式)
理研仁科・産業チーム・吉田

直径φ５cm 内で ＜ 約±５％9

効率化・標準化の取り組み

https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/beam_line.html
照射部位を 選んで試験

X,Y-スライダー
自由サイズ

②➀

レーザー墨出しビームコリメーター

照射物、測定器の準備

User架台 ４セット あり

User用架台下の棚に測定装置を設置

User・要望

十字架治具

User用架台は、照射実施まで占有照射物(半導体ボード)は、自由サイズで取付可能

遠隔操作で、照射部位を選択可能

施設・改良

コツコツ積み重ねて「標準照射場」をUserと共に作る！
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理研仁科・産業チーム・吉田

10経産省も動き出した
宇宙用半導体試験 の 「産業構造」 、「試験の効率化政策(案)」「放射線試験・ソフトエラー対策に関する勉強会」
主催：経産省、 参加：企業(~30社) 大学(~10) 機関(~10)

自社開発品

国外
NASA, ESA, …

国策メーカー
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試験結果

自社開発品

結果

メーカー

民生品・宇宙転用
結果
DB

（施主）

結果

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試験受注
or DB売買

JAXA

秋葉原等

インテグ
レーター

JAXA開発品
民生品

認定規格

国際標準化

有償利用

照射施設利用プラットフォームMETI (案)

試験検査会社

加速器施設
重イオン： 理研、放医研HIMAC、高崎TIARA、東北大CYRIC、阪大RCNP
軽イオン： 若狭湾WERC、東海タンデム、がん治療施設、…
中性子： 阪大RCNP、住重アステック西条、北大HUNS、J-PARC

22.09/06 創る会

理研仁科・産業チーム・吉田

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ご利用 お待ちしています！
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/info/「放射線試験」が初めての方は、宇宙用半導体・試験検査会社殿とご相談の上、お申し込みください！
➢ 当チームは、「ビームを照射時間で売ります」
半導体は全くわかりません！

https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/riyou.html➢➢➢➢➢

半年前に応募が必要
採択課題の有効期限は２年間
実施日程が決まってからのキャンセルは不可「ビーム料金」～ 10万円/時間
12 or 24 時間コースの利用が多いです22.09/06 創る会➢ 半導体の試験方法は、専門の試験会社さんとご相談ください。
➢ ビーム照射方法に関する問い合わせは、当チームまで。 Welcomeです！

理研仁科・産業チーム・吉田12