大型石英ガラス製品の寸法測定
石英ガラスは、通常のガラスと比べて光透過性・耐熱性・耐腐食性などで優れており、光学部品・半導体・半導体製造装置の部品として多く用いられています。
通常、石英ガラスでできた製品の寸法はハンドツールや門型の三次元測定機などの接触式の測定機器を用い、測定するポイントに応じて使い分けます。
しかし、これらの測定機器では、寸法精度を維持しつつ製造や設置に要する時間の短縮などの要望に応えるのは、困難なケースが増えてきています。
ここでは、石英ガラスの基礎知識を説明。寸法測定の必要性と注意すべき測定のポイント、測定機器の違いによる効率の差に着目し、測定の効率化を実現するさまざまな事例を紹介します。
石英ガラスとは
石英ガラスとはガラスの一種で、超高純度の水晶（二酸化ケイ素：SiO2）でできています。通常のガラス（ソーダガラス）に比べて、金属などの不純物がきわめて少ないため、光透過性と耐熱性に優れます。その特長を活かしてレンズ・プリズムなどの光学部品・半導体製造装置部品・半導体・高温チャンバーの窓などの材料に使用されます。
通常のガラスとの違い
通常のガラスはケイ砂という砂から作られ、さまざまな不純物が含まれています。これに対し、石英ガラスの原料は精錬または化学的に合成した水晶です。石英ガラスは不純物が少ないため、光透過性が非常に高いという特徴があります。また耐熱性に優れ、熱膨張係数がきわめて低いので、急激な温度変化にも耐えることができます。
石英ガラスの種類
石英ガラスは製造法によって「溶融石英ガラス」と「合成石英ガラス」に大別できます。
溶融石英ガラス
溶融石英ガラスは、水晶の粉末を酸水素火炎や電気炉で溶融し、冷却して製造します。原料の水晶には金属不純物が多く含まれますが、精錬により金属不純物を取り除くことで高い透明度を実現しています。製造が容易であり、合成石英ガラスに対し低コストでの製造が可能です。
合成石英ガラス
合成石英ガラスは、不純物の少ない水晶を原料に、水素と酸素を利用しシラン化合物を加水分解させるなど化学的に合成して製造します。溶融石英ガラスに比べて幅広い波長域での光透過性に優れています。一方で、クリーンな環境での加工が求められるため、溶融石英ガラスに対し製造コストが高くなる傾向にあります。
石英ガラスの用途
高い耐熱性と光透過性を持つ石英ガラスは、主に電気・電子機器に使用されています。
溶融石英ガラスの高い耐熱性は耐熱形状安定性の高い部品に適しており、半導体製造における熱処理プロセスなどの高温プロセスの炉心管・ボート・ランプ用材料などに利用されます。また、真空蒸着装置や真空チャンバーなどにも使用されます。
合成石英ガラスは優れた均質性と光透過性により、半導体や液晶製造で使われる露光装置用のレンズ・プリズムなどの光学部品、光ファイバー・半導体・液晶製造用フォトマスクなどに用いられます。さらに、薬品の侵食にも強く、フッ酸・リン酸・アルカリ・アルカリ金属化合物の溶液およびそれらの雰囲気など限られた薬品以外には高い耐薬品性を有するため、薬品を使用する半導体製造プロセスの部品には欠かせない材料として利用されています。
大型石英ガラス製品の寸法測定の必要性
石英ガラスは電気・電子機器や製造装置で多く使用され、そのいずれもがきわめて高い寸法精度が求められる精密部品です。このため、製造時のわずかな誤差が製品の不具合に直結します。
たとえば、半導体製造で成膜やエッチングをバッチ式で行う場合に使用するボートは、「ラック」にウェハを格納します。ラックには数十枚単位のウェハを格納することができ、格納するウェハの間隔の精度はプロセスの品質を左右します。ラックの各部の外径寸法やボートの組み立て精度が低いと、ウェハの間隔にバラつきが発生し、正常なプロセス処理ができず不具合品が発生する原因になります。このため、製造時には寸法測定による厳しい検査が必要です。また、熱処理プロセスのボートは、熱によって変形することもあるため、定期的なメンテナンス時の寸法測定も欠かせません。
大型石英ガラス製品の寸法測定
代表的な大型石英ガラス製品には、半導体製造装置に使用されるボートやチューブ、液晶製造用フォトマスクなどがありますが、ここでは石英ガラスで作られた石英ボートを例に寸法測定について説明します。
測定のポイント
石英ボートの寸法測定では、上板および下板の平面度および両方を結合する柱との直角度の測定が重要です。また、これらにズレがある場合は、上板と下板の中心にもズレが生じている可能性があるため寸法測定による検査が必要です。さらに、ウェハを格納するラックの幅の測定も重要です。これらは、プロセスの信頼性に直結するため、製造時はもちろん定期的なメンテナンスの際の重要な点検ポイントになります。
- A
- 上板
- B
- ラック
- C
- 下板
- D
- 柱
石英ガラス製品の寸法測定の課題と解決法
石英ガラス製品の寸法精度は、製造時はもちろん導入後の定期的なメンテナンスでも確認が必要です。石英ガラスは光透過性が高いため、レーザー光やLED光を用いた測定機では測定が困難です。このため、接触式の測定機で測定しますが、ダイヤルゲージや角度ゲージなどのハンドツールでは精度に欠け、幾何公差を正確に測定することは困難です。また、門型の三次元測定機での測定は、デリケートな石英ガラス製品を測定室まで運搬しなければならず、測りたいときに測れないといった問題があります。さらに、操作には熟練が必要であるため、測定できる作業者は限定されます。
石英ガラス製品の寸法測定におけるこのような課題が、納品や製造プロセス立ち上げの遅延、導入後のプロセス不良の原因になるケースが多くありました。
これらの問題を解決すべく、最新式の三次元測定機が活用されるケースが増えてきています。
キーエンスのワイドエリア三次元測定機「WMシリーズ」は、ワイヤレスプローブで石英ガラス製品の寸法も高精度で測定が可能です。測定範囲内なら製品の奥まった部分にも自由にアプローチでき、1人でもプローブを当てるだけの簡単操作で測定することができます。また、ダイヤルゲージや角度ゲージなどのハンドツールに比べて測定結果がバラつくことなく、定量的な測定が可能。測定データとCADデータとの照合や、測定データからCADデータを生成するための機能も備えています。
石英ボート・石英チューブの寸法測定
石英ボートではラックの幅・上板と下板の平面度・柱との直角度などの寸法が、また石英ボートを覆うカバーである石英チューブでは、内径・外径はもちろん、円筒度・円筒の中心からガス管の中心までの寸法が重要な測定要素です。
特に、石英チューブの内径・外径・円筒度・円筒の中心からガス管の中心までの寸法が公差からはずれていると、正しい内容量や高い真空度を得ることができないため、プロセスの信頼性低下の原因になります。
石英ボートや石英チューブ各部の寸法は1/10ミリ単位の精度が求められるため、ハンドツールでは精度不足です。測定者によって測定値がバラつく可能性もあり、さらに反りやうねりを平面度として数値化することは困難でした。また、門型の三次元測定機は測定者が限られ、測定室までの運搬に大きな工数が必要でした。
「WMシリーズ」なら、石英ボートや石英チューブの寸法も、ワイヤレスプローブを当てるだけで簡単に測定することができます。ハンドツールに比べて測定結果がバラつくことなく、定量的な測定が可能です。石英チューブの内径・外径・円筒の中心からガス管の中心までの寸法はもちろん、平面度・真円度・円筒度などの幾何公差も1人で測定し数値化することができ、仮想線の距離を可視化することもできます。
また、自由に持ち運べるポータブル仕様なので、製造・設置現場に持ち込み、その場ですぐに寸法を測定することができます。設置状態で測定することができるため、ワークの着脱や移動で発生する変形もありません。
さらに、測定結果を自動的に検査成績書に変換できます。検査成績書は写真付きでわかりやすく、フォーマットはリッチテキスト形式のため編集も自由自在です。
「WMシリーズ」での測定イメージ
石英チューブの測定画面イメージ
大型石英ガラス製品の寸法測定の効率化
「WMシリーズ」なら、測定ポイントにワイヤレスプローブを取り付けるだけの簡単な操作で大型の石英ガラス製品を1人で測定することができます。さらに、これまでに紹介した以外に、以下のようなメリットがあります。
- 広範囲を高精度に測定可能
- 最大測定範囲25mの広範囲なエリアを、高精度に測定可能。測定の手順を記憶させ、同じ箇所を測定することができる「ナビ測定」モードも搭載しているため、誰が測定してもデータがバラつきません。
- 3D CADデータと照合ができる
- 3D CADファイルから読み込んだ形状と、測定対象物の形状を比較測定できます。また3D CADデータとの差分をカラーマップ表示することもでき、自由曲面、輪郭度測定に対応しています。
- わかりやすいインターフェース
- 三次元測定機のインターフェースというと、難解で馴染みにくいコマンドが多いイメージがありますが、「WMシリーズ」では、画像やアイコンなどで誰にでも親しみやすい操作性を追求し、直感的な操作を可能にしました。
- 測定結果を3Dモデルで出力できる
- 測定した要素は、STEP/IGESファイルとしてエクスポートできます。図面のない製品でも、現物の測定結果を基に、3D CADデータを作成可能です。
「WMシリーズ」は大型石英ガラス製品の寸法測定はもちろん、3D CADデータとの照合作業や検査成績書の発行などを強力にサポート。大型石英ガラス製品の製造から組み立て後の寸法確認、品質管理に欠かせない業務まで、飛躍的な効率化を実現します。
