研究室では正しく測定されながら実使用で故障する部品は、ほぼ例外なく製造上の欠陥ではなく認定の不備である。本稿では、生体認証および指紋認識向けに石英および結晶ガラスがどのように検査・認定されるか、適用される規格、実際の弱点を明らかにする試験、および出荷時に同梱すべき文書を解説する。
生体認証および指紋認識における光学石英および結晶ガラス
生体認証および指紋認識において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。生体認証システムは、シーン内の他のすべてから生信号を分離しなければならず、これがスペクトルフィルタリングを光学の主要機能とする。指紋および虹彩システムは、しばしば近赤外照明下で、定義された波長で動作し、誤った帯域を漏らすフィルタは汚れたセンサと同様に確実に認識を損なう。
一般的な故障モードとその発生形態
石英の故障は、機械的というよりも光学的または熱的になりがちである。ソラリゼーションは、長時間暴露下でのUV透過の漸進的喪失であり、いくつかのグレードで発生し、高OH材料を選択することで防止される。デビトリフィケーション（失透）は、汚染の存在下での高温における非晶質表面の結晶形への変換であり、永続的に曇った表面を生じ、通常は取扱いまたは焼成中のアルカリまたは金属汚染によって引き起こされる。熱応力割れは、部品がクランプされている場所、または考慮されていない勾配が存在する場所に現れる。コーティングの吸収はレーザー使用で損傷箇所を引き起こす。生体認証および指紋認識において、高温で現れる故障は常に、部品に何が触れたかの見直しを促すべきである—取扱い手袋、マーキングペン、および包装はすべて、デビトリフィケーションを引き起こす汚染の一般的な供給源である。
取扱い・洗浄・包装
石英は硬いが脆く、その細いエッジは欠けやすいため、取扱い規則はソーダ石灰よりも厳しい。研削および面取りされたエッジが標準であり、部品は通常、粒子のない挿入紙を挟んで供給される。洗浄はフッ化水素酸含有製品を完全に避ける。なぜなら微量のHFでもシリカを侵すからであり、また時間の経過とともに表面を蝕き得る強アルカリ溶液も避ける。UV部品の指紋は外観上ではなく機能上の欠陥である。なぜなら有機残留物は250 nm以下で強く吸収し、UV暴露によってコーティングに焼き付けられるからである。生体認証および指紋認識において、包装基準は部品と同様に重要である：深紫外窓に輸送中に生じた傷は、到着時には検出不可能で、実使用では致命的となり得る。
検査と測定
石英部品の検査は、通常の表面品質チェックを超えて広がる。透過率は、通常の分光光度計が到達しない可能性のある深紫外を含む、関心帯域全体で測定されるべきである。均質性と複屈折は干渉計的、または偏光顕微鏡でチェックされ、異物は気泡クラスに対して評価される。レーザー光学については、同じロットの証明用サンプルでのレーザー誘起損傷閾値試験は、証明書単独よりもはるかに大きな信頼を与える。寸法チェックは図面に従い、ウェハTTVに特に注意を払う。生体認証および指紋認識において、立会いの損傷試験は、内部顧客に対する材料変更を正当化する唯一の方法であることが多い。なぜなら2つの石英グレード間の性能差は、他のどの測定でも可視でない可能性があるからである。
規格・文書・トレーサビリティ
石英光学は、他の要素と同じ図面規格、ISO 10110およびISO 12123を通じて指定され、OH含有量、気泡クラス、および均質性をカバーする追加の材料仕様を伴う。レーザーアプリケーションは損傷閾値試験規格を参照し、しばしば証明用サンプルデータを必要とする。清浄度仕様は半導体隣接部品で重要となり、そこでは単位面積あたりの粒子数が制御され文書化される。環境コンプライアンスはRoHSおよびREACH宣言によってカバーされる。生体認証および指紋認識において、部品のリリースの可否を最も頻繁に決定する文書は材料ロットに遡るトレーサビリティである。なぜなら組立中に発見された均質性または異物の問題は、影響を受けた部品が特定できない限り封じ込められないからである。
基板と材料の選定
溶融石英の中には、実際に行うべき選択がある。低OHグレードはほぼ水酸基含有量がなく、2.7マイクロメートル付近の吸収が少ないため、より遠くまで赤外を透過し、IRおよび高出力用途に適している。高OHグレードは百万分の数百の水酸基を含み、深紫外性能とソラリゼーション耐性が重要な場所で好まれる。天然石英はその結晶特性が必要な場所で使用されるが、より多くの異物を含み、その異方性が研磨を複雑にする。合成結晶（培養石英）は、より優れた一貫性で同じ光学挙動を提供する。生体認証および指紋認識において、ほとんどの紛争を防ぐ仕様はグレード名ではなく数値のセットである：OH含有量、気泡クラス、および関心帯域にわたる透過曲線。
生体認証および指紋認識に特有の要件
生体認証および指紋認識において、それは品質に対する一般的な好みではなく、特定の要件セットに翻訳される。生体認証システムは、シーン内の他のすべてから生信号を分離しなければならず、これがスペクトルフィルタリングを光学の主要機能とする。指紋および虹彩システムは、しばしば近赤外照明下で、定義された波長で動作し、誤った帯域を漏らすフィルタは汚れたセンサと同様に確実に認識を損なう。
- 動作波長での厳しいバンドパスまたはIRカット定義
- 耐擦傷性のユーザー側面
- 広い入射角にわたる安定した挙動
- 低電力照明用の高透過率
生体認証データ品質のISO/IEC 19794コンテキスト、ISO 10110図面、およびRoHSおよびREACH宣言。
選定データ一覧
| パラメータ | 標準値 | 備考 |
|---|---|---|
| 透過帯域 | 185 - 2500 nm（溶融石英） | 深紫外から近赤外 |
| 屈折率 | 1.458（溶融石英） | 低く高度に均一 |
| CTE | 0.55 × 10⁻⁶ /K | 耐熱衝撃性 |
| OH含有量 | < 10 ppm 低OH、> 200 ppm 高OH | UVまたはIR用途で選択 |
| 複屈折 | < 5 nm/cm（溶融） | 結晶石英は本質的に異方性 |
| 平面度 | λ/4 から λ/10 | 石英ウェハはλ/20まで |
| スクラッチ・ディグ | 40-20 標準、20-10 精密 | ISO 10110-7 |
| 厚み範囲 | 0.1 - 30 mm | ウェハは0.1 mmから |
| エッジ仕上げ | 研削、面取り、または精密ラップ | 欠け≤ 0.05 mm |
よくある質問
光学ガラスの代わりに石英をいつ選ぶべきですか？
部品が約300 nm以下を透過しなければならない、急速な熱サイクルを生存しなければならない、または高レーザーエネルギーに耐えなければならない場合。可視光窓およびフィルタについては、ホウケイ酸ガラスまたはB270が費用の一部で同じ機能を果たす。
低OHと高OHの溶融石英の違いは何ですか？
低OH材料は最小限の水酸基含有量をもち、より遠くまで赤外を透過する。高OH材料は百万分の数百の水酸基を含み、これが深紫外透過とソラリゼーション耐性を改善する。
なぜ石英窓が高温で曇ったのですか？
それはデビトリフィケーション（失透）であり、材料自体ではなく、取扱い、マーキング、または包装からのアルカリまたは金属の痕跡による汚染によってほぼ常に引き起こされる。高温サービス向けの部品には、汚染のない取扱いを指定する。