ATLAS Barrel SCT module の

アトラスシリコン Ⅱ
ATLAS Barrel SCT module の
位置精度および平面度測定
新間秀一, 加藤陽一, 秋元崇, 原和彦（筑波）
中野逸夫, 田中礼三郎（岡山）
高嶋隆一（京都教育）
海野義信, 高力孝, 近藤敬比古, 寺田進,
池上陽一, 氏家宣彦（高エ研）
岩田洋世, 大杉節（広島）
1. 測定目的ー何故, 位置精度および平面度が必要か？ー
2. 測定装置
3. 測定方法
4. 位置精度を記述するパラメータ
5. 位置精度結果
6. 平面度を記述するパラメータ
7. 平面度結果
8. まとめ
1. 目的 (何故, 位置測定や平面度測定が必要か？）
位置測定, 平面度測定はモジュールQA (Quality Assurance)の一つであり,
モジュール組み立ての精度要求を満たすかチェックする .
当座は‥‥
１）モジュール組立の精度の測定
２）QAサイクル中の変動量の測定
モジュールQAの流れ
組立
温度サイクル
測定
バーンイン
測定
測定
1. 目的（つづき）
位置精度‥ 荷電粒子の飛跡の再構成の精度はシリコンセン
サーの位置分解能（23 um）により決まる.
この位置
分解能を生かすために, 表裏センサーペアの位置精度が, z方
向に25 um, r-f方向に 5 umであることを要求する.
平面精度 ‥モジュールのバレルシリンダーへ据え付けは下図の
ように10度の角度をつける.
バレルシリンダー z方向断面図
位置分解能 (23 um)の精度を保つため
に, r-f 方向で8 um 以下のずれである
ことが要求される. したがって10度の重
なり角度のため, 径方向ではx [um] だけ
ずれると考えると, そのずれは
x = 8/sin 10° = 50 um
が要求される.
この量はoptimal Z max lower(upper)という
量で表される.
2. 測定装置
3次元測定器
Mitutoyo Quick Vision
Pro250
測定精度
xy平面に対して1 um以下
（濃淡のパターン認識で測定）
z方向に対して10 um以下
（オートフォーカスで測定）
3次元測定器（写真）
3. 測定方法
モジュールは透明なフィデューシャル
のついたフレームに固定する.
In-Plane survey（位置精度測定）
各センサー６つのフィディユーシャル
マークの(x,y)座標を測定.
表面については, ダウエルホールとス
ロットの中心座標も測定.
計 26 (x,y)座標より
パラメータを計算
Out-of-Plane survey（平面度測定）
各センサー5x5の格子点の(x,y,z)座標を
測定.
※基準平面はZ1〜Z3の３点がなす平面
計100 (x,y,z)座標より
パラメータを計算
4.1 位置精度を記述するパラメータ
測定された計26 (x,y) 座標より13 個のパ
ラメータを計算
half-stereo: 表面センサーペアと裏面
ンサーペアがなすステレオ角の半分
セ
(sepf, sepb): 表裏それぞれのセンサーペアの
中心間の距離
(a1-a4): 各センサー個別の回転
(midxf, midyf): 表面センサーペアの重心と
裏面センサーペアの重心間のx方向（スト
リップに平行）, y方向（ストリップと垂直）の
ずれ
(a1〜a4) : 各センサー個別の回転角度
(mhx, mhy): ダウエルホールの座標
(msx, msy): ダウエルスロットの座標
4.2 各パラメータに対する設計値と許容範囲
表センサーペアと裏センサーペアの位置関係を表すmidy の許容
範囲が最も厳しい.
5.1 位置精度結果
測定した(x,y)座標よりパ
ラメータを計算した.
モジュールの位置精度のパラ
メータのうち重要であるmidyf,
half-stereo, a1〜a4の分布を示す.
2つのモジュールが最も重要であ
るパラメータmidyfのtoleranceを超
えてしまっている.
midyfのtoleranceを超えているモ
ジュールは角度についての
toleranceも超える傾向にある.
Before Temperature Cycle
5.2 測定結果
サイクルによる変動量）
（QA
右図はヒートサイクルを行ったこ
とによるパラメータの変動量であ
る.
多くのパラメータはヒートサイク
ル前後で大きく変動していること
が解る（バーンイン後の変化は
小さい）.
ところが‥
変動量が大きすぎる.
測定ミスの可能性？？
フレームについたフィデューシャルを使うとフ
レームをひっくり返すときにモジュールが動いて
しまう可能性がある.
これからはセンサーのエッジを
基準にした測定を行い,
結果
を比較.
6.1 平面度を記述するパラメータ
測定された100個の(x,y,z)座標より一つのモジュールにつき, 8個
のパラメータを計算する.
モジュールのx, y断面の例
個々のモジュールはセン
サー自身の歪み及び
ベースボードの歪みによ
り形状に個性がある.
平面度に個性があるが, Midplane からのずれに大きな個
性は無い.
Max Z lower (upper): 基準面から測定した裏面（表面）センサーペアのz座標の最大値
module thickness: モジュールの厚み
6.1 (つづき)
Max Z lower (upper) への要求は, 以下の図で隣り合うセンサー
に触れないために200 um 以内であることが要求される.
(単位: mm)
6.2 Mid-planeを用いたパラメータ
Mid-plane
左上面センサーと左下面センサーの測定された全てのz座標の中
点を計算し, 平面の方程式(z=ax+by+c)でフィット. 得られた平面を
Mid-planeと定義する.
右センサーペアに対しても同様に
Mid-planeを決定.
Mid-plane height
フェイシングからMid-planeまでの厚み相当
optimal Z max lower (upper)
各測定点でMid-planeまでの距離を求める. 計測した全てのモ
ジュールについて, この距離の平均値からのずれを計算する. ずれ
のセンサー内の最大値.
optimal Z RMS lower
(upper)
上で計算したずれの分布のRMS
（上下面それぞれに対して計
算）
7.1 平面度測定結果
右図は平面度を記述する全ての
パラメータの組み立て直後の結
果である.
組み立て直後には全ての
パラメータがtolerance 以内に
収まっていることが解る.
QAサイクルを行った後にこ
れらの変化がどうなるか？
7.2 平面度測定結果
（ QAサイクル後）
右図はヒートサイクル前後のパ
ラメータの変化量である.
ほとんどのパラメータの変化量は
小さいが, 唯一 max Z lower の変
化量が最大約40 umで, 変化量が
大きい.
それに対して max Z upperの変化量は
ほとんどゼロである (バーンイン後の変
化は全てのパラメータでほぼゼロ）.
表裏センサーペアはベース
ボードを介して接着されてい
るので一方が大きく変化する
のは不自然である.
今後, この現象を解明していく必要が
ある.
8. まとめ
今回, 自動化された組み立てシステムにより製作されたモジュールにつ
いて位置精度と平面度を測定した.
測定の評価をするに当たり, 位置精度には13個, 平面度に対しては 8
個のパラメータを設定した.
位置精度について‥フレームに取り付けられたフィデューシャルを
基準にして測定をすると, 測定中にフレームに対してモジュールが
動いた場合に測定精度が悪くなる可能性がある. これを解決する
ために, センサーのエッジを基準にして測定する方法を考えた. 今
後は二つの測定を行い結果を比較する.
平面度について‥今回製作されたモジュールに関しては全て
toleranceを満たしている.
QAサイクル後にmax Z lowerの値だけが大きく変動するのは不自
然. この現象が起こる原因を突き止める必要がある.

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