4L06 理研・重イオン加速器による宇宙用部品の高 LET シングルイベント試験
吉田 敦（理化学研究所 仁科加速器科学研究センター 産業利用開発チーム）
High-LET SEE test for space-use devices at RIKEN H.I. accelerator
Atsushi Yoshida (RIKEN Nishina center)
Key Words: High-LET SEE test
Abstract
Space-use semiconductor companies use RIKEN heavy-ion accelerator to perform single-event effect (SEE) test of thosedevices. Beams of C, Ar, Kr and Xe are frequently used. This paper introduces characteristic of those beams andenvironment of irradiation setup.
変えて、回路素子毎に試験が可能である。また回転ス1.

施設概要

テージ (ビーム軸に対して±約 60 度) を用いて、ビ理化学研究所 (所在地：埼玉県和光市) の高エネルームの入射角度を変化させた試験 (3 次元構造デバ

ギー重イオンビーム (C, Ar, Kr, Xe) を用いて、静止

イスや、斜め照射で名目 LET 値を大きくする手法)

軌道や月、深宇宙用半導体のシングルイベント効果が行える。

(SEE）評価試験が、民間企業や JAXA によって行われている。
高エネルギービームなので、空気中で照射試験が可能である。またエネルギーに余裕があるので、LET値 (半導体中のエネルギー付与) を変化させて試験が可能である。ビーム照射量 (Flux 値) は、施設側が実測して利用者に提供する。また照射コースは、利用者に使いやすく完備してある。本稿では、当施設のビーム特性や、照射環境について紹介したい。
尚、本施設共用事業は受託試験ではない。施設側は、ビームを有償にて提供するだけで、試験は利用者側が行う。よって、重イオンビーム試験の初心者は、半導体試験検査会社と一緒に利用する事をお勧めする。
本事業に関する詳細情報や利用料金等は、当チームの Home page 1) を参照されたい。
2.

照射コースの設備、使い方
図 1 が照射コース (仁科棟地下 E5 照射室) である。

ビームは、真空切り膜 (Kapton) を通して空気中に取出 さ れ 、 ビ ー ム Flux 検 出 器 ( 空 気 電 離 箱 Ion
Chamber：IC1 と Plastic シンチレーター: PL) 及び、エネルギー減衰板セットを通過して、利用者の供試体ボードに照射される。
利用者は、供試体を XY 方向スライダー、または回

図 1 半導体試験用の照射コース(上図)と転ステージ上に設置する。XY スライダー (X,Y 方向

その模式図(下図)±約 10cm 移動) では、供試体ボード上の照射位置をこれらのステージには自由なサイズの照射ボード(A4 サイズ以下程度) がネジ止め可能で、またステー利用者の切替えに要する時間は約 1 時間で済み、効率的な運用が可能である。

ジ毎簡単に取り外せる構造なので、故障時の供試体交換が容易である。
照射位置のビームサイズは、真空切り膜より上流に設置したビーム散乱膜 (Au) で Gaussian 形状に広げ、X,Y-Wobbler 電磁石 (60 Hz) で半径 3 cm 程度の円を描かせる事で一様に広げている (図１下図)。そのビーム直径φ6 cm 内の Flux 強度分布は ±10 % 以内で一様である。我々は Gaf-Chromatic Film 2) を用いてその一様性を毎回実測して確認している (図 2) 。
多くの場合、この最大直径から更にビームサイズを狭めて、素子ごとに試験が行われるので、供試体の直前には各種穴径の移動式ビームコリメータが配置可

図 3 User 用架台の使い方。交換式になっている能である。
3.

半導体試験用ビーム核種とその特性
当施設で宇宙用半導体の照射試験に使われている

主な重イオンビームの特性一覧を表 1 に示す。軽イオン C から重イオン Xe までを、空気中に取り出し、同じ照射条件で利用者に提供するには、様々な工夫が必要である。ビーム核種のメニューを拡大する度に、我々はビームスタディー実験を重ね、そのビームに適した散乱膜、真空切り膜、PL シンチレータ検出器等を用意してきた。特に低エネルギーXe ビームの場合は、ビームが通過する物質厚さを極力薄くする必要があった。
その苦労はさておき、利用者にとって大切な値は、表下行の「Si 材中の最大飛程 (Range)」と「LET 調整範囲」である。前者が、ビームが何μm 深さまで到達可能か？の指標である。利用者は、デバイス表面のモールド層まで含めた Si 材相当厚さを予め確認してお図 2 照射位置ビームサイズ。Gaf Film で測定。

く必要がある。後者は、前述のエネルギー減衰板の厚さを調整して、調整可能な LET 範囲 (但しデバイス照射コースにはこの他に、ビーム軸を表示する XY表面位置での値) を示している。

レーザー墨だし器、TV カメラ、ファイバースコープ
や、照射による Charge Up 除去用イオナイザー、

表 1 供給可能なビーム核種とそのビーム特性

AC100V ON/OFF 装置、Closed-LAN Hub 等々が常設Beam
E 真空中されている。また、デバイスを昇温して照射試験 (約散乱膜 : Au100℃) を行う場合には、ヒータ・ブローアーと, 放射

真空切り膜 Kapton(直径)

温度計を組み合わせた温調器も利用可能である。

電離箱 Ion Chamber

図 1 に於いて、下流側の User 架台部分は分離式になっている。その使い方を図 3 に示した。各利用者は架台１つを占有し、架台下の棚に、電源や測定機器を設置して事前準備を整えておく。自分の照射順番が巡ってきたら、架台ごと交換する。この方式により、

PL scintilator
遮光膜
空気層 Lair1
Lair2

12C
135112.53000
14520040Ar
84Kr
129Xe
95703673.0
45.8
9.74
51.2
24.9(Φ50)(Φ40)
Al 0.6, Mylar 14.54500
10025Al 0.4, Mylar 10.2145145
100200200
150A.MeVμmμm(Φmm)μmμmμmmmmm

空気中照射位置でE 最大値～132～83～53

Si材中 最大飛程 ～23,100 ～3,700 ～1,060
LET調整範囲

0.2～5.1～20A.MeV～210 μm

2.2
11.4
43.5～18.7 ～41.0 ～69.4

MeV/(mg/cm2)

4.

ビーム Flux 測定

5.

ビームエネルギー (LET 値) 測定

重イオンビームの Flux 値を正確に測定するのは、空気中照射の場合、そのビームのエネルギーを実原子核実験を専門としない利用者にとって困難であ測するのは、かなり厄介な仕事である。通常の原子核ろう。それなりの原子核測定用検出器と回路が必要

実験では、加速器部門が真空中で測定してくれたエだからである。通常、Flux 値は照射施設側で測定・提ネルギー値 (電磁石の磁場値等で測定) を信じて、そ供するものなのだが、その測定方法には施設ごとにの後は、ビームが通過する物質中でのエネルギー損独特の流儀がある。

失量を計算コードで求める手法が用いられる。ビー

当施設利用者の場合、深宇宙用に開発されているム通過物の種類が少なく、またその通過物の厚さが半導体部品は、主に高 Flux 領域 (> 10^5 [個/cm2/秒])

精密に分かっている場合は、この手法でも良いのだ

で SSE 試験を行なっている。一方、地上用民生部品が、当施設の場合、表 1 に記したようにビーム通過の宇宙転用の場合は、SEE 耐性が弱いので、これよ物が多く、またそれぞれの通過物の厚さを全て正確り低 Flux 領域での試験が必要となる。実際の所、利に測定するのが困難である。そこで我々は、ビームエ用者が持ち込んだ供試体の Flux 強度耐性は、照射しネルギー減衰板セットを用いて、空気中に取り出してみるまで分からない為、施設側に求められる Flux

たビームの飛程 (Range) を実測し、Range からエネ検出器には、広い dynamic range が要求される。

ルギーに焼き直す手法をとっている (図 5)。

そこで当施設の Flux 測定では、空気充填・透過型のイオンチェンバー (IC) と、プラスチック・シンチレーター (PL) の 2 種類の検出器を常時併用している（図 4）。 高 Flux 領域では IC 検出器を用いて、ビーム粒子数を電流値として測定する。低 Flux 領域では PL 検出器を用いてビーム粒子を１個ずつ測定(particle counting) する。双方の測定値の比例領域を直線補間することで、1～10^7 [個/cm2/秒] の広いFlux 範囲をカバーしている。

図 5 ビーム飛程値の測定
エネルギー減衰板セットは、ビーム核種毎に用意された 8～12 枚のアルミ板で、そのビームの飛程厚(完全に停止する厚さ) まで、約 5 μm ステップで厚さを変化させることが可能である。尚、各アルミ板の厚さは、電子天秤を用いて秤量測定した値を用いてい
図 4 ビーム Flux 検出器 (IC1,PL) の較正る。利用者の照射位置にもう１つの電離箱検出器(IC2) を設置し、減衰板を厚くして行くと、IC2 にビ尚、プラスチック・シンチレーターは、重イオン照ームが届かなくなる。その時の板厚が、ビームエネル射によりその材質が劣化し (Total Dose 効果)、発光ギーのアルミ相当 Range の実測値である。ここから量が低下する。この劣化は LET 値が大きな Kr や先は上述の手法と同じく、⊿E 計算コード(SRIM-Xe ビームで顕著である。当施設では、毎回の照射毎2013 コード 3) )を用いて、実測値と⊿E 計算値を比較にシンチレーター部分を交換している。

することで、アルミ約 5 μm の精度で Range 値を決

Flux を調整するには、利用者が加速器オペレータに電話連絡し、加速器ビームライン中のメッシュ状定している。我々はこの測定を愚直に毎回実測してその値を利用者へ提供している。

板 (Attenuator) の組合せを調整してもらうことで、毎回測定してみると、その日の空気温度や気圧、交Flux 量を最小 1/2 ステップで、最大強度 (約 10^8)換した PL シンチレーターの厚さやサイクロトロン加から 数 [個/cm2/秒] の範囲で変更可能である。

速器からのビーム取り出し具合などによって、ビームエネルギーが微妙に異なる事が分かってきた。その違いを気にするかどうかは、利用者側の判断次第週間前頃までに、各自の User 架台で事前準備を済まではあるが、半導体デバイスの厚さ構造も μm の精度せておく必要がある。

で製造されているので、毎回留意すべきと思われる。

課題募集は年 2 期制 (4~9 月,10~3 月期) で、書面

利用者は、このエネルギー減衰板セットを自由に審査の産業課題審査委員会がある。採択後、課題有効遠隔操作して、供試体の特定の深さ (半導体の感応期限 2 年間以内に利用実施が必要である。申請書を層) に於ける LET 値を細かに調整可能である。尚、記入する前に、現場見学と打合せが必要である。利用

当施設では LET 計算の補助として、Microsoft Excel

料金は毎年改定され HP に掲載される。

で⊿E や LET 値を計算可能な表計算ソフト (SRIMfit)を自作して公開している 4)。これは、半導体業界が7.

まとめLET 計算の業界標準として用いている SRIM-2013

理研では、表１に示したように、ビーム核種を変えコードの出力結果を利用して、簡易計算できるようて広い LET 範囲での試験が可能である。特に Ar, Krにした Excel マクロ関数ライブラリーである。照射供の利用が多く、深宇宙用部品では更に Xe まで、民生試体の厚さ方向の情報 (モールド層の材質と厚さ)品の宇宙転用の場合は LET 値を下げた C までの試験と、感応層位置での LET 値を代入すれば、それに必が可能である。しかも同じ照射セットアップのまま要なアルミ減衰板の厚さを計算してくれる。このよで連続試験が可能なので、利用者には利便性が高い。

うに、利用者は自分で LET 計算が可能である。

一方で「当施設の難点」は、ビームタイム日程が非尚、この LET 計算は、あくまで目安として用いて常に混雑している事である。当施設は、様々な核種、頂きたい。各ビーム通過物の厚さ測定の誤差や、SRIM様々なエネルギーの重イオンビームを提供する国際コード自体の計算誤差、更にはビームが物質を通過学術利用施設である。ビームタイム日程の獲得は、長する度にエネルギー・ストラグリング効果によって、期間に及ぶ学術利用との競争で決まるため、利用日ビームエネルギー分布の幅 (つまり LET 値の幅)も増数が短い半導体試験 (有償産業利用) は劣勢となる。

大してくるためである。

そこで、同じ核種のビームタイムを 2~3 社が連続して実施するパッキング実施に協力してもらっている。

6.

測定室の設備、利用上の注意点

現在、累積利用企業数は 16 社、そのうち 6 社がリ照射試験中の測定室は、放射線管理区域外にありピーターである。利用対象は国内企業に限っている。

(飲食可能)、照射室と Closed-LAN でつながっている。

それでも近年の利用は急増しており、年間 300 時間

利用者の多くは、照射室にノート PC を置き、それにを超えつつある。そろそろ当施設での産業利用可能

リモート login して、測定機器を制御している。先ず時間の限界に達してきており、この混雑状況を危惧

エネルギー減衰板セットに中ある分厚いビームストしている。

ッパー板を入れて置き、Flux 値をトレンドグラフで見ながら調整する。そして、所望の LET 値になるよ

参考文献

うな、減衰板の組合せを調整してから、ストッパー板

1) RIBF 施設共用促進事業：半導体デバイス照射を抜いて照射 Run が開始となる。利用者は、Flux やHome page https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/

LET 値以外にも、様々な試験条件を変化させながら、

2) 上松 敬、花屋博秋、小嶋拓治：「Gaf フィルム線数百回程の Run を測定している。その測定中の Flux

量計とイメージスキャナを組み合わせた 簡便なと LET 情報は、ログファイルとして施設から利用者イオンビームの 2 次元線量相対分布計測システム」へ提供される。

RADIOISOTOPES, 57, 87 (2008)

利用時間は 12 時間単位のスロット制にしてある。
スロットの切替え時刻は 9:00 か 21:00 で、その時刻までに前の利用者は、次の利用者へビームコースを明け渡す (前述の分離式 User 架台を切り離す)。課金
時間は、照射開始宣言~終了宣言までの実照射時間である (最低課金時間は別途決まっている) 。引き続き別の核種で試験を継続する場合は、架台に目隠しをして照射室内に保管しておく。当施設のビーム核種切り替えには約１日間を要する。尚、照射日程の約１

3) SRIM-2013 計算コード http://www.srim.org/
4) 当チーム H.P. : SRIMfit https://ribf.riken.jp/sisetukyoyo/Tips/SRIMfit/