HPは https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/（Talk 25+10)
Ver. 240903

宇宙用半導体 試験環境の作り方 (理研の場合)～ノウハウや値段も～
空気中照射 試験セットアップ

理研・仁科加速器科学研究センター
産業利用開発チーム T.L. 吉田敦

XYスライダーで照射➢ 施設紹介Beam➢ 施設側に必要とされているものは？
➢ その工夫(例)
Flux測定⚫ ビームサイズ・一様性

照射ボード⚫ Flux 測定
回転ステージで照射⚫ LET調整⚫ 照射環境整備⚫ マシンタイム混雑対策
凡例

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田☆

ノウハウ

￥

値段1

加速器 概要： いいビームが出るのですが・・・
仁科センター RIビームファクトリー(RIBF)● 国内２番目の高エネルギー● (水素) ～ウラン を加速し、RIビーム を生成● 多段階加速で高エネルギービーム
C, Ar, Kr, Xe など ※ H は pol.-d のみ● 半導体照射は 今の所 「RRC」 まで(11～135 MeV/u)△ 加速器の間に 荷電交換膜 ( Stripper ) あり
→ 高崎TIARAのようなカクテルビームは困難→ ビーム核種切替えに１～２日かかる△ 新施設 (高エネ学術) 利用の間は、旧施設 (半導体照射) が使えない→ ビームタイム日程が混雑
24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田

2

半導体照射試験用 ビームコース(E5A)～狭苦しい！～

こんな狭い場所で、一度に 「６～７社が連続利用」 しています！

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

E5Aコース バーチャルラボツアー VR 360°

”理研の連続利用“は、ハンパない です！ (後述)

理研・吉田

3

施設側に必要とされているものは？ ～利用者目線の要望～
工夫 : 以下ページの目次

重イオンビーム SEE試験の場合
要望

優先度
ビーム
1 核種2 エネルギー
3 サイズ
4 一様性

必要スペック等

工夫N/A1～70 [MeV/(mg/cm2)]
広いLET範囲
N/A
100～1000 [μm]十分なRangemaxΦ50mm コリメータで絞る ①
デバイス毎に照射
Flux分布測定は施設側で ＜±10%①5 Flux調整
6 LET調整

広いFlux範囲で広いLET範囲で数10～1E7 [個/cm2/sec]
頻繁に変更可能②③照射試験環境1 空気中照射広い照射スペース真空切膜～10cm以上

2 遠隔操作
3 試料交換4 ビーム調整

照射位置変更簡易・多数交換
Flux, LET変更容易

XYスライダー
便利な照射治具
利用者が自由に変更したい

④
④
④
③
④
④
④

5 ビームモニター Flux測定は施設側で測定器スペース
6 測定環境7 データ提供

Flux, LET値

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

常時トレンドグラフ表示
LET計算の補助

理研・吉田

優先度
その他
1 ビームタイム確保
2 利用料金3 利用時期の柔軟性
4 アクセス: 地の利工夫⑤N/AN/AN/A・・・ e.t.c.

4

工夫①

ビーム サイズ、一様性

詳細は https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/sisetsu_info.html☆ 距離必要● 散乱角度(実測) *3)*4)☆ ビームは半分捨てている

Bethe Moliere 式 *5)にほぼ合っています☆ 散乱膜・必要な厚さは？

☆ Flux一様性確認
Gaf Film EBT4

￥ A4 x 25枚/箱～16万*1) 上松 他、RADIOISOTOPES, 57, 87 (2008)*2) 自作python https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/prog/pyE5A_GafFilm解析.pdf*3) 施設用情報 https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/rep/E5Arep_測定_Gaf散乱角度.pdf

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田*4) 神原, RIKEN Acc.PR 49(2016)193*5) H.A.Bethe "Moliere's Theory of Multiple Scattering",
Phys. Rev. Vol.89 Num.6 (1953) p.1256-1266 ; eq.10,22,23

5

工夫②ビーム Flux 測定 - (1)

真空膜 Kapton● Flux 検出器 較正 (IC1 vs PL) 1 ～ 10^7 [個/cm2/秒] の広範囲で
PL vs IC1 比例領域で Fit 結果
PL [cps] = 3.615E+13 * IC1[A]
IC1[A] = 2.758E-14 * PL[cps]<-実測値ゼロ点を通る事を仮定してます。

⊿ E (in IC1) を SRIM コードで計算

電離箱（IC1)ref) ⊿E(in IC1) 計算 から求めた比例計数
PL [cps] = 3.956E+13 * IC1[A]
<-予想値
0.91
<-実測/予想

高フラックス用（電流モード）※ 実測～予想 になっている

有効 Φ5cm
充填 = 空気
Al – Mylar 膜 5層Mylar = 14.5μm
Alumi = 0.6 μm
応用技研 C-1341SS￥ ～110万+ pAメータ ～90万

低フラックス用（個数モード）

プラスチック(PL)シンチレーター有効 □64x64mm
民生品 ～ 宇宙グレード に対応させるには・・・
シンチ EJ-212☆ 広い Flux Dynamic Range が 必要
C, Ar 用 500μm→ ２種類の Flux検出器 で 常時モニター
Kr 100μ, Xe 25μ
遮光膜 Al – Mylar
Mylar = 10.2μm
Alumi = 0.4μm ☆ ビーム通過物
PMT φ1”→ 極力薄くした
浜ホト H7415☆ 電流 vs. 個数モード
比例領域あるか？
→ ⊿E : 電流値予測￥ PMT～10万+ LG～4万＋シンチ ～1万＋回路

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田6

工夫②

ビーム Flux 測定 - (2)● Flux 検出器 較正 (IC1 vs PL) ビーム核種 による 差異☆ PLシンチは消耗品 → シンチ交換式ライトガイド●※ 重イオン照射ではTotal Dose 効果で、シンチは劣化し「褐色化」→ 毎回交換 しています《 注意 》● 軽イオン ほど、⊿E (in IC1) が 小さくなる☆ → 比例領域の幅が少なくなる→ PL vs. IC1 の較正が困難→ パルス波高が下がる
Kr や Xe で 顕著

● 実測 / 予想→ 重イオンほど近い値になっている￥ 0.8～4.5万 シンチ 500,100,25um～3.5万 ライトガイド～6万 遮光 Al-Mylar 2.54um 30cmx3m※ 理由(検討中)
IC1 中の recombination か？

※ C では、PLの面積を IC1より小さく して、特別な較正方法が必要でした。
24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田

7

工夫③

ビーム LET 調整 - (1)☆

Deg板出入れニューマチック式→ 動作早い

☆ LabView制御→ Userが自由に操作￥ Edegメカ～120万+ 制御系～20万+ LabView

C用Ar,Kr用

Xe用

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10☆ 核種ごとに３式用意➢ 最小 step ～5μm で Beam Range まで 2^11通り➢ Beam Shutter 付き → User が自由に Beam ON/OFF
Ar,Kr用
Edeg
Deg#
12
3
4
56
7
89BmS
AB
C

C用
秤量μm
10.20
12.80
25.02
48.59
100.24100.80196.39485.957,000
4.50975.39
2,103

理研・吉田

Edeg
Deg#
123456789AB
CBmS

Xe用
秤量μm
10,3142,890
976.16480.48243.86
99.80
50.52
24.83
9.96
4.46
5,194
30,000Edeg
Deg#
12345678BmS
9AB
C

秤量
μm
192.32
24.75
9.91
2.20
4.46
50.73
100.22
2,000
N/A
N/A
N/A
N/A

8

工夫③ビーム LET 調整 - (2) ～供給可能ビーム の LET、Range～● 宇宙線 → 加速器で試験

重イオンビーム試験の場合、ビームの Range と LET 範囲 に注意！

● 理研ビームの諸元
Beam
E 真空中
散乱膜 : Au

12C

40Ar

84Kr

129Xe

135
112.5

957073.045.851.2(Φ50)
Al 0.6, Mylar 14.54
500
100Al 0.4, Mylar 10.2
145145200200369.74
24.9(Φ40)

真空切り膜 Kapton(直径)
電離箱 Ion Chamber

PL scintilator
遮光膜
空気層 Lair1
Lair2

核種毎に設定が異なります

3000
14520025100
150

MeV/uμmμm
(Φmm)
μmμm
μmmmmm

空気中照射位置でE 最大値
Si材中 最大飛程
LET調整範囲

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田～132～83～53～20 MeV/u～23,100 ～3,700 ～1,060～210 μm
0.2
2.2
11.4
43.5
MeV/(mg/cm2)～5.1～18.7～41.0～69.4

9

工夫③ビーム LET 調整 - (3) ～空気中 ビーム エネルギー を 実測 ～パラメータ

±５μm精度でRange実測● 空気中で E測定 は “難しい”ので Range で測定厚さが不明確なビーム通過物が多い。検出器のE較正が困難

ΔX

ΔE

アルミ、Si １μm～空気 2mm相当

1） Edeg を厚くして行き、 IC2 で Bragg曲線 を実測
2） 実測 を 計算 と比較 (右図 SRIMfit Excel表で)計算パラメータ : Eout [MeV/u] = 0 となる
Edeg の厚さ： ExpR [μm] ; アルミ相当Range を求める

☆ 毎回測定している→ 気圧・気温 より、加速器の E 変動、通過物交換(PLシンチ) などによる変動がある☆ Edegが厚いと Bragg Peak が鈍る→ Kr, Xe は、SRIM 計算の Bg.Pk.巾によく合う
Ar, C は、計算値より巾が広くなる。
Edeg 板厚さの不均一性、 Energy Straggling の影響☆ Range 測定には、”極薄” 検出器が必要→ シリコン ⊿E 検出器 などでは、 Bragg Peak が見えません！
空気電離箱 が最適です。

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田

10

工夫③

ビーム LET 調整 - (4) ～LET計算表 SRIM fit ～● SRIM fit ： Excel で SRIM-2013計算

詳細は HP: [ Tips集：SRIMfit、pySRIMfit ]自作のマクロ関数LIBです。Python版もあり。

☆ 利用者がLET計算可能
不感層～感応層 の物質厚さを入力
一覧表： 感応層位置の LET値 → Edeg設定値☆ でも、計算を全面的に信頼しては危険です！
※ 厚さ測定、SRIM計算 にも誤差あり。
「ストラグリング」 により、E幅 (LET幅) も広がるので。
24.09/04 ソフトエラー勉強会#10→ 感応層手前で “停止” する厚さの Edeg設定にして、“エラー発生が無くなるか？” を自分で確認しましょう！
理研・吉田11

工夫①～③

データ提供 ～ 報告書：施設の信頼性 ～Flux分布一様性

Flux検出器較正

詳細は HP: [照射装置]

ビームエネルギー測定➢ ビーム測定結果
利用開始前に、毎回、以下の測定を行い、再現性を確認しています。
◆ Flux 分布の一様性
Gaf Film を用いて写真撮影し、分布グラフを提供します

Gaf Film感光
吸光度解析

Edeg

電離箱IC1
PLシンチ検出器較正
IC1 : 高Flux用
PL ： 低Flux用

精度 5μm でRange 測定

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

照射位置IC2◆ Flux 検出器の較正
高Flux用：電離箱 IC1 と低Flux用：Plasticシンチレータを用いて、広い Fluxレンジ
10～10^7 個/cm2/sec で較正します◆ ビームエネルギー(Range)測定
Edeg板を厚くして行き、照射位置に設置した電離箱IC2までビームが届かなくなる厚さ(飛程; Range) を、±5μmの精度で測定します。

➢ 技術報告書
毎回のビーム測定結果は、照射ログ：技術報告書 として、利用者へ納品 及び HPに公開 しています➢ 納品データ
試験中の 照射ログデータ (～5秒間隔)
Run#、Flux量、Edeg設定、etc.
を、各社ごとに CSV形式で 納品します
24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田12

工夫④

試験環境 -(1) ～ビームライン～● ビームを広げる
詳細は HP: [照射環境]
散乱膜+Wob.電磁石でφ5cm内で ＜ ±10％ 一様分布

● 空気中照射真空膜～照射ボード間 = 15～35cm● エネルギー (LET) 調整
エネルギー減衰板 (Al 板 約5μmStep)→ 利用者が自由に変更可● フラックス調整
透過型検出器 (IC, PLシンチ) で常時測定1～ 10^ 7 個/秒/cm2
加速器に連絡, メッシュ状Attenuator調整( Step = 1/2, 1/3. 1/4. 1/5, 1/10, …)☆ 照射ボードの着脱 簡易！

☆
24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田

13

工夫④

試験環境 -(2) ～ “準備が楽” が 肝心！～☆ 照射ボード交換●

XYスライダー～12万￥ + 十字架治具～5万+ 制御～30万☆ オモチャ 各種●￥ 温調器～4万＋温度計～10万● 温調器 ヒーター制御
温調器

アルミフレーム材 → A4まで自由サイズに対応

ヒーター出力

赤外温度計● ファイバー スコープ
照射位置 拡大表示● イオナイザー
Charge Up 防止● ホタル電球
撮像素子・レンズ無し照射● 貸出セット● Xスライド、回転 十字架治具は共通●☆ ビームコリメータ 穴各種 □,φ5～30

自社に持ち帰って準備ビーム軸表示
十字レーザー￥ 回転ステージ＋制御～40万24.09/04 ソフトエラー勉強会#10￥ コリメータ一式＋スライダー～30万理研・吉田￥ 貸出ベース板～8万＋レーザー～7万14

工夫④

試験環境 -(3) ～ 遠隔操作 ・ 常時モニター ～架台～35万● User架台 ￥ + 付属品～10万☆ 各社が１台占有、棚に計測器● 架台交換● User 照射制御画面 （LET調整、ビームON/OFF、照射物移動)

切り離し、目隠しをして保管LET変更(Edeg板厚)、 Beam ON/OFF

Flux トレンドグラフ

照射物 X,Y スライドTVカメラ

☆ 利用前日迄に、予め準備を完了させておく！ 架台8社分あり。

● TVカメラ ４個 Web配信● Zoom接続 各現場 → 測定室
B2 照射室● 測定室 (1F) 管理区域外（飲食可)UserPC用モニターTV

1F 測定室

ビーム調整室照射制御PCOn Calll 待ち￥ Web配信～5万24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田照射室～測定室はClosed LAN 10G 接続
15

工夫⑤ビームタイム確保 –(1) ～年間スケジュールの混雑具合～● 年間スケジュール

年２期制 24時間 ｘ 約10ヶ月運転( 2024 上期 )( 下期 )
高エネ休止時期

新施設
高エネ
学術
（主）
旧施設
中低エネ
(従属)

夏季メンテ
（電気代高騰の為)

7社Kr
3社Xe

新元素探査実験

半導体試験 + 学術
1社Kr

7社Kr
6社Ar

4社Ar

6社Kr

夏季メンテ

● マシンタイム(MT)日程表（例）

5社Xe
4社Ar
6社Xe

3社Ar
6社Kr

現在のMT日程表は、https://www.nishina.riken.jp/rarfmt/pc.html① 実験課題番号 : ICyy-No#-Sel#→ 採択通知に記載の番号② 実験代表者= 産業チームリーダー名
で、社名を秘匿①②③④③ 照射室、ビーム核種、エネルギー等④ 同核種ビーム の 連続利用

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田

16

工夫⑤

ビームタイム確保 –(2) ～複数社・連続利用の為にスロット制を導入 ～● 料金は 約 11万円/時◆ 加速器の組合せ(施設種別)で異なります◆ 料金計算式：（施設構成別利用費 ＋ 施設消耗品費)
ｘ (利用時間) ＋ (実験消耗品)
注意！ 「学術目的」は、対象外です！
学術課題審査(ML-PAC)に申請して下さい

今年度版 https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/riyou/bunrui.html(4000円/回)

09:00～ or= 照射開始 時刻
21:00～● 利用時間は 12hrスロット単位

枠開始時刻～◆ 12hr 区切りの「スロット数」で申請
申請スロット内で、準備～照射～片づけを完了し次 Grp へ サラチ にして渡す 事！
◆ 課金は、実質照射時間
照射「開始～終了」を「照射時間(最小～最大)」の範囲内で、利用者が決めてください～枠終了時刻スロット枠時間
通常1～2時間 照射開始時刻～ ～照射終了時刻 >30分以上

照射準備
動作確認

実質照射時間(課金時間)

ロス対応

最小照射時間

片付け搬出

スロット
スロット数 枠時間
１slt
12 hr
２slt
24 hr
３slt
36 hr
４slt
48 hr

照射時間
最小 最大
7 hr 11 hr
18 hr 23 hr
28 hr 35 hr
40 hr 47 hr

最大照射時間

⑥④

⑤

②

③

小②

● 複数社が連続利用です！
➢ 試験実施前に準備して架台を目隠しして、照射室内に保管する➢ 自分の順番になったら、～30分でビームラインに復帰させる➢ 終了したら速やかに、物品を地下廊下へ搬出し、梱包作業①
利用者用架台 (現在：８社分)
24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

小①
理研・吉田

非常にハードスケジュールです！
ご協力ください。
17まとめ –(1) 理研の採点表
採点項目

採点

ビーム核種
核種切替え

C, Ar, Kr, Xe
１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
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

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

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
スペック
常時トレンドグラフ表示
10～1E+7 [個/cm2/sec]◎、〇 が増える様努力してきたが…
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。

△、× は、今の所 改善困難

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・吉田18

まとめ –(2) 施設整備 理研の経験から試験環境の作り方 ～理研の場合～ 配慮・工夫した点➢ 空気中照射 ～理研の重イオンビーム特有かもしれませんが～⚫ 便利だけれど、ビームE測定に工夫必要⚫ ビーム通過物を極力薄くして、min LET を確保➢ “準備が楽”が肝心⚫ 照射治具：自由サイズ、簡易着脱→ 多品種同時試験が可能⚫ Userが使っていた便利なモノを常設化 → 準備労力が低減・効率化➢ 複数社・連続利用 ～苦肉の混雑対策～⚫ User架台：分離式 → 事前準備が楽・完璧になった⚫ スロット制の導入 → 施設側・User側 共に楽になった☆

～各自で時間配分、定時に帰れる～整備を進める際 吉田の“呪文”
完璧になれば楽になる。 ～Userが自分達だけで使えるようになる～
完璧でないモノには、～夜中に呼び出される～
必ず足をすくわれる。

24.09/04 ソフトエラー勉強会#10

理研・吉田19