レーザー干渉計：精密さで自動化製造をエンパワーする

著者：タイラー・スティール、製品マネージャー（レーザー干渉計）、Zygo

本稿では、精密ベリリウムミラー製造企業ケンブリッジ・テクノロジーが、干渉計ハードウェアとソフトウェアソリューションの活用により、製造プロセスを合理化し、全社的に効率化、時間とコストの削減を実現した様子を説明します。

近年の技術進歩により、計測（メトロロジー）は製造シナリオにおける「必要悪」から、イネーブリングテクノロジー（実現技術）へと地位を高め、以前は不可能だった部品特性の測定を可能にし、多数の産業分野でイノベーションを推進しています。

ベストインクラスのメトロロジーソリューションこそが、小型化、高精度化、高スループット、低不良率というトレンドを牽引する触媒であると言えます。「測定できなければ作れない」という古い格言通り、要求精度で繰り返し測定できれば、最先端部品・コンポーネントの生産において限界はありません。

精密の最前線で活動するケンブリッジ・テクノロジー

英国トーントン拠点のケンブリッジ・テクノロジーは、精密の最前線で活動する企業の一つです。50年以上の実績を持ち、超軽量コーティングベリリウムミラーを製造し、米国マサチューセッツ州ベッドフォードの親工場へ供給しています。これらミラーはレーザービームステアリングアセンブリに組み込まれ、PCBドリルからレーシック手術まで多様な用途で使用されます。

ケンブリッジ・テクノロジーは、プロセスメトロロジーの統合と活用に焦点を当て、設計・製造能力の向上、品質管理と製造歩留まりの最適化を目指しました。ミラー製造の厳格な性質上、同社は時間とともに革新的技術サプライヤーと提携し、最適な製造プロセスを実現することを学んできました。メトロロジー能力向上のパートナーとして選ばれたのがZygoで、ZygoのMxメトロロジーソフトウェア上で動作する最新鋭レーザー干渉計システムを供給しました。

本稿では、レーザー干渉計が最適化された自動化製造プロセスの不可欠な一部として果たす役割を分析し、サプライヤー選定の重要課題を浮き彫りにするとともに、ケンブリッジ・テクノロジーがZygoの先進光学メトロロジーソリューションを如何に活用し、製品設計と製造プロセス開発におけるイノベーションを推進したかの直接的な証言を提供します。

先進メトロロジー情勢の評価

Zygoは、非接触・非破壊の3D光学プロファイラーとレーザー干渉計により、メトロロジーの地位を破壊的イネーブリングテクノロジーへと昇格させました。光学メトロロジーは極めて汎用性が高く、品質と設計意図の検証に重要な役割を果たします。今日、多くのシナリオで非接触（繊細で変形しやすい部品の測定可能）、非破壊、高速、高感度、卓越した分解能と精度という特性から、優先ソリューションとなっています。

Zygoにとって、光学メトロロジー機器の活用は品質管理を遥かに超え、先進R&D、プロセス開発、プロセス制御、全体的な製造最適化にまでそのメリットが活用されています。ケンブリッジ・テクノロジーは、干渉計が自社の重要部品の高度な特性評価における論理的選択であることを理解し、Zygoに匹敵する経験と理解を持つメトロロジーソリューションイノベーターは他にないと認識しました。

ケンブリッジ・テクノロジーとZygoのレーザー干渉計

ケンブリッジ・テクノロジーは、製造するほぼすべての精密ベリリウムミラーの表面形状を、製造ライフサイクルの様々な段階でレーザー干渉計を用いて測定し、性能特性を明確に把握しています。

同社の従来レーザー干渉計ソリューションには2つの主要な欠点がありました。第一に環境振動に弱く、第二に測定データが個別のテキストファイル（またはテキストレポート）として保存されるため、分析が極めて困難でした。ミラー種類ごとに異なるアプリケーションが必要で、その都度レーザー干渉計の特定設定が必要でした。これによりメトロロジーがオペレーター依存度高くなり、技術者がミラータイプごとに異なるマスクを手動でロードし、ミラー1枚あたり最大3回の測定を行う必要がありました。

これら欠点を克服するため、プロセス自動化を促進し、手動作業負荷を軽減し、再測定を招いていた環境振動感度を最小限に抑えるメトロロジーソリューションが必要でした。選ばれた解決策は、既存レーザー干渉計を、ZygoのMxソフトウェア上で動作する現世代機器に置き換えること。これにより、処理時間の改善とオペレーターエラーの削減を即座に実現しました。

ケンブリッジ・テクノロジー品質エンジニアのグレッグ・ソルター氏：「処理時間短縮は、PythonスクリプトでMxをカスタマイズできる能力のおかげです。複数マスク（アパーチャー）を持つ部品の処理時間短縮は劇的で、オペレーターが各マスクを手動ロードしたり、ミラーの異なるアパーチャーを再分析するためにマスクの異なる部分を選択したりする必要がなくなりました。」

ZygoのMxソフトウェアとPythonスクリプトを用いて、ケンブリッジ・テクノロジーは現在、全パーツのデータベース（対応公差、設定、マスク）を構築し、オペレーターがドロップダウンメニューから部品番号を選択するだけで簡単にアクセス可能に。公差は生産エンジニアが中央データベースでリモート調整可能で、生産ワークフローを中断しません。

ソルター氏：「Mxは部品番号選択により正しいマスクと公差を自動ロード。レーザー干渉計ソフトウェアがオペレーター入力なしで測定中に異なるマスクを自動ロード/切替えるため、測定が高速化、ミラースループットが向上、オペレーターエラーが削減されました。平坦度データが自動的にデータベースに出力され、製造各段階の容易な分析と監視（SPC等）が可能。これにより、各製造段階で管理限界を用い、ミラーがプロセス終了時にコンプライアンス適合することを保証できます。製造手法を継続改善する中で、このシステムが提供する分析により、バッチあたりの検査ミラー数を徐々に削減しつつ、平坦度コンプライアンスを維持できます。」

さらに、「ミラーが意図した用途に不適合でも、Mxが類似ミラータイプをチェックし、代替用途への転用可否を助言するため、スクラップ削減につながります。米国ベッドフォードの親会社も当社データベースで自社Zygo干渉計を制御し、両サイトで瞬時に同期更新されるため、測定手法の不一致が完全に解消されました。親会社も測定データを保存し、ミラー性能を製造過程で監視可能。すべて、MxのPythonスクリプトによるカスタマイズ能力で実現しています。」

選択したソフトウェアソリューションが、複数の製造拠点にある複数の装置に展開可能で、24/7製造操業をサポートできることは必須でした。ダウンタイムとオペレータートレーニングの最小化は、Zygoとケンブリッジ・テクノロジーの良好なパートナーシップで達成されました。ソルター氏：「Mxはシンプルで効率的、サポートしやすいソリューションであり、製造環境におけるリソースとキャパシティへの影響を最小限に抑えられることを発見しました。Mxの直感的な設計と全体的なシンプルさは極めて重要でした。Lambda PhotometricsとZygoから、特にPythonスクリプトでどう目標達成するか不明だった問題について、支援とコード例の提供、既存Mxマスクカタログを新干渉計で使用する方法の提供を受けました。」

「セットアンドフォーゲット」アプリケーションソフトウェア環境の構築

ZygoのMxソフトウェア内のスクリプト機能活用により、ケンブリッジ・テクノロジーはレシピ駆動型の「セットアンドフォーゲット」アプリケーションを構築しました。ソルター氏：「我々が設計・構築したデータベースをMx内で動作させ、あらゆるミラー測定に必要な全パラメータ（マスク名、マスク数、平坦度公差）を含めました。オペレーターは部品番号をリストから選択（または製造データパックのバーコードスキャン）するだけで、Mxがそのミラー処方箋の所定設定を適用、シリアル番号を記録し、データ取得・分析を行い、パス/フェイルをシンプルな用語で通知します。ZygoのMxベースメトロロジー機器により、構成管理がより効率的になり、統計的プロセス制御（SPC）手法での操業監視が可能になりました。Zygoのソリューションにより、ミラー歩留まりを99%まで向上させ、両サイト間で優れた相関を達成できました。」

ボトルネックの除去

ZYGOのMxメトロロジーソフトウェア活用により、ケンブリッジ・テクノロジーは干渉計の能力をアップグレードし、大幅な節約を実現。生産と品質管理のボトルネックを除去し、結果としてスタッフリソースのより良い活用と全体的な製造効率の改善をもたらしました。