เทคโนโลยีเวเฟอร์แก้ว: การใช้งาน การผลิต และคุณสมบัติที่สำคัญ

Glass Wafer คืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญ

เวเฟอร์แก้วนั้น พื้นผิวบางที่ออกแบบอย่างแม่นยำทำจากวัสดุแก้วชนิดพิเศษ โดยทั่วไปจะมีความหนาตั้งแต่ 100 ไมโครเมตรไปจนถึงหลายมิลลิเมตร วัสดุพิมพ์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นรากฐานในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก (MEMS) อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิก และการใช้งานบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง แตกต่างจากเวเฟอร์ซิลิคอนแบบดั้งเดิม เวเฟอร์แก้วมีความโปร่งใสทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ คุณสมบัติของฉนวนไฟฟ้าที่เหนือกว่า และความเสถียรของมิติที่ยอดเยี่ยมในอุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ระดับโลก เวเฟอร์แก้ว ตลาดมีการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ โดยรายงานอุตสาหกรรมระบุอัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ที่ ประมาณ 8-10% ระหว่างปี 2563 ถึง 2568 . การขยายตัวนี้ได้รับแรงหนุนจากความต้องการอินเทอร์โพเซอร์ที่เพิ่มขึ้นในบรรจุภัณฑ์วงจรรวม 2.5D และ 3D โดยที่เวเฟอร์แก้วให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณและการจัดการความร้อน

กระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์แก้ว

การผลิตเวเฟอร์แก้วเกี่ยวข้องกับเทคนิคการผลิตที่ซับซ้อนหลายประการ ซึ่งแต่ละเทคนิคได้รับการปรับแต่งเพื่อให้บรรลุความคลาดเคลื่อนของขนาดและข้อกำหนดด้านคุณภาพพื้นผิวที่เฉพาะเจาะจง

กระบวนการวาดฟิวชั่น

วิธีการดึงฟิวชันซึ่งบุกเบิกโดยบริษัทต่างๆ เช่น Corning ทำให้เกิดการผลิต แผ่นกระจกแบนพิเศษพร้อมพื้นผิวที่เก่าแก่ โดยการไหลของแก้วหลอมเหลวเหนือลิ่มที่ขึ้นรูป กระบวนการนี้ช่วยลดความจำเป็นในการขัดเงาบนพื้นผิวทั้งสอง โดยได้รับความคลาดเคลื่อนของความเรียบที่น้อยกว่า 10 ไมโครเมตรบนแผ่นเวเฟอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. วัสดุที่ได้จะแสดงค่าความหยาบของพื้นผิวต่ำกว่า 1 นาโนเมตร RMS ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานการพิมพ์หินด้วยแสง

กระจกโฟลตและขัดเงา

กระบวนการกระจกโฟลตแบบดั้งเดิมตามด้วยการขัดเงาด้วยเคมี-เครื่องกล (CMP) ถือเป็นทางเลือกในการผลิตอีกทางหนึ่ง แม้ว่าวิธีการนี้จะต้องมีขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติม แต่ก็ทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในองค์ประกอบของแก้ว และสามารถทำให้มีความหนาสม่ำเสมอที่ ±5 ไมโครเมตรบนวัสดุพิมพ์ขนาดใหญ่ .

การตัดด้วยเลเซอร์และการประมวลผลขอบ

เมื่อขึ้นรูปแล้ว แผ่นกระจกจะต้องผ่านการตัดด้วยเลเซอร์หรือเขียนด้วยเลเซอร์อย่างแม่นยำเพื่อสร้างแผ่นเวเฟอร์แต่ละแผ่น เทคนิคการประมวลผลขอบช่วยให้มั่นใจได้ว่าขอบปราศจากเศษด้วยมุมเอียงที่ควบคุมได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการจัดการอัตโนมัติในอุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ระบบสมัยใหม่บรรลุข้อกำหนดคุณภาพ Edge โดยมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำกว่า 0.1 จุดต่อเซนติเมตรเชิงเส้น

คุณสมบัติและองค์ประกอบของวัสดุ

เวเฟอร์แก้วนั้น engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญ

• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE): การจับคู่ CTE กับซิลิคอน (2.6 ppm/°C) ช่วยลดความเครียดในระหว่างรอบการประมวลผลด้วยความร้อน ป้องกันการบิดงอและการหลุดร่อน
• คุณสมบัติทางไฟฟ้า: ความต้านทานปริมาตรที่เกิน 10^14 โอห์ม-ซม. ให้ฉนวนที่ดีเยี่ยมสำหรับการกำหนดเส้นทางสัญญาณความถี่สูง
• การส่งผ่านแสง: ความโปร่งใสที่มากกว่า 90% ของความยาวคลื่นที่มองเห็นช่วยให้สามารถจัดตำแหน่งผ่านการประมวลผลวัสดุพิมพ์และด้านหลัง
• ความทนทานต่อสารเคมี: ความต้านทานต่อกรด เบส และตัวทำละลายอินทรีย์ช่วยให้มั่นใจถึงความเข้ากันได้กับเคมีในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การใช้งานที่สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงและ Interposers

ตัวกั้นกระจกได้กลายมาเป็น เทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงเกมสำหรับแอพพลิเคชั่นการประมวลผลประสิทธิภาพสูง . Intel, TSMC และโรงหล่อรายใหญ่อื่นๆ กำลังลงทุนมหาศาลในเทคโนโลยีพื้นผิวแก้วสำหรับการรวมชิปเล็ต แก้วช่วยให้ผ่านกระจกผ่าน (TGV) ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเพียง 10 ไมโครเมตรและพิทช์ลงไปที่ 40 ไมโครเมตร บรรลุผล ความหนาแน่นของการเชื่อมต่อระหว่างกันสูงกว่าสารตั้งต้นอินทรีย์ถึง 10 เท่า .

ในโปรเซสเซอร์ศูนย์ข้อมูล กระจกอินเทอร์โพเซอร์ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณได้ประมาณ 30-40% เมื่อเทียบกับวัสดุแบบเดิมที่ความถี่สูงกว่า 50 GHz การปรับปรุงนี้แปลโดยตรงเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและแบนด์วิธที่เพิ่มขึ้นสำหรับตัวเร่งความเร็ว AI และอินเทอร์เฟซหน่วยความจำแบนด์วิธสูง (HBM)

MEMS และอุปกรณ์เซ็นเซอร์

เวเฟอร์แก้วเป็นพื้นผิวที่เหมาะสำหรับอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการบนชิปไมโครฟลูอิดิก เซ็นเซอร์ความดัน และ MEMS แบบออปติคัล ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของวัสดุ ความเฉื่อยทางเคมี และความโปร่งใสของแสง ทำให้วัสดุนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในการวินิจฉัยทางการแพทย์ บริษัทที่ผลิตชิปวิเคราะห์เลือดมักจะระบุเวเฟอร์แก้วบอโรซิลิเกตด้วย ความคลาดเคลื่อนของความเรียบของพื้นผิวต่ำกว่า 2 ไมโครเมตร ความแปรผันของความหนารวม (TTV) .

เทคโนโลยีการแสดงผล

อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง (TFT) สำหรับจอแสดงผลคริสตัลเหลว (LCD) และแผง OLED ใช้พื้นผิวกระจกรูปแบบขนาดใหญ่ โดยมีแผ่นกระจกประมวลผล fabs เจนเนอเรชั่น 10.5 ที่มีขนาด 2940 มม. × 3370 มม. อุตสาหกรรมนี้ประสบความสำเร็จในด้านเศรษฐศาสตร์ที่น่าทึ่ง โดยต้นทุนของวัสดุพิมพ์ลดลงเหลือน้อยกว่า 0.50 เหรียญสหรัฐฯ ต่อตารางฟุต สำหรับการใช้งานแสดงสินค้าโภคภัณฑ์ ขณะเดียวกันก็รักษาข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับข้อบกพร่องที่พื้นผิวและการควบคุมขนาด

ข้อดีเหนือซิลิคอนเวเฟอร์

แม้ว่าซิลิคอนยังคงเป็นสารตั้งต้นของเซมิคอนดักเตอร์ที่โดดเด่น แต่เวเฟอร์แก้วก็มีข้อได้เปรียบที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน:

1. การสูญเสียสัญญาณที่ต่ำกว่า: ค่าแทนเจนต์การสูญเสียไดอิเล็กตริก 0.003-0.005 ทำให้ประสิทธิภาพความถี่วิทยุ (RF) เหนือกว่าในวงจรสื่อสารคลื่นมิลลิเมตร
2. ขนาดพื้นผิวที่ใหญ่ขึ้น: เทคโนโลยีการผลิตแก้วสามารถปรับขนาดเป็นรูปแบบสี่เหลี่ยมขนาด 510 มม. × 515 มม. ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเกินขีดจำกัดในทางปฏิบัติของเวเฟอร์ซิลิคอนทรงกลม
3. ประสิทธิภาพต้นทุน: สำหรับการใช้งานแบบอินเทอร์โพเซอร์ พื้นผิวแก้วอาจมีราคาต่ำกว่าตัวพาซิลิคอนที่เทียบเท่ากันถึง 40-60% ในขณะที่ให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เทียบเคียงหรือดีกว่า
4. ความยืดหยุ่นในการออกแบบ: TGV ในแก้วสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยอัตราส่วนภาพที่สูงกว่า (อัตราส่วนความลึกต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเกิน 10:1) เมื่อเปรียบเทียบกับ Vias แบบผ่านซิลิคอน ทำให้ได้สถาปัตยกรรม 3D ที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น
5. การเข้าถึงด้วยแสง: การส่งผ่านแสงอินฟราเรดและแสงที่มองเห็นช่วยให้การจัดตำแหน่งด้านหลัง การตรวจสอบ และเทคนิคการประมวลผลเป็นไปไม่ได้ด้วยซิลิคอนทึบแสง

การประมวลผลความท้าทายและแนวทางแก้ไข

ผ่านทางเทคโนโลยีการก่อตัว

การสร้างจุดผ่านกระจกทำให้เกิดความท้าทายทางเทคนิคที่ไม่เหมือนใคร วิธีการหลักสามวิธีมีอิทธิพลต่อการผลิตในปัจจุบัน:

• การเจาะด้วยเลเซอร์: เลเซอร์พิโควินาทีหรือเฟมโตวินาทีที่เร็วเป็นพิเศษจะระเหยวัสดุโดยมีโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด โดยบรรลุอัตราการก่อตัวที่ 100-500 vias ต่อวินาที ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 10-100 ไมโครเมตร
• การแกะสลักแบบเปียก: สารเคมีที่ใช้กรดไฮโดรฟลูออริกให้ความเรียบของแก้มยางที่ดีเยี่ยมสำหรับจุดผ่านขนาดใหญ่ โดยสามารถควบคุมอัตราการกัดกรดได้ภายใน ±5% ทั่วทั้งชุดเวเฟอร์
• การแกะสลักแบบแห้ง: การกัดด้วยไอออนปฏิกิริยาด้วยพลาสมานำเสนอโปรไฟล์แบบแอนไอโซทรอปิกสำหรับการใช้งานที่ต้องการผนังด้านข้างในแนวตั้ง แม้ว่าปริมาณงานจะยังต่ำกว่าวิธีเลเซอร์

การทำให้เป็นโลหะและการยึดเกาะ

การสะสมชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าบนกระจกจำเป็นต้องปรับกระบวนการให้เหมาะสมอย่างเหมาะสม การสะสมไอทางกายภาพ (PVD) ของชั้นยึดเกาะไทเทเนียมหรือโครเมียมตามด้วยการสะสมของเมล็ดทองแดงทำให้สามารถชุบด้วยไฟฟ้าในภายหลังเพื่อเติม TGV สิ่งอำนวยความสะดวกขั้นสูงบรรลุผล ผ่านการเติมให้ผลผลิตเกิน 99.5% โดยมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำกว่า 50 มิลลิโอห์มต่อเวีย .

เทคโนโลยีการยึดติดแผ่นเวเฟอร์ที่ดัดแปลงสำหรับกระจก ได้แก่ การเชื่อมขั้วบวก การเชื่อมฟิวชั่น และการยึดติดด้วยกาว ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีเหมาะสมกับงบประมาณด้านความร้อนและข้อกำหนดด้านสุญญากาศที่แตกต่างกัน การเชื่อมขั้วบวกของแก้วบอโรซิลิเกตกับซิลิคอนทำให้มีความแข็งแรงในการยึดเกาะเกิน 20 MPa โดยมีความหนาแน่นของช่องว่างของอินเทอร์เฟซต่ำกว่า 0.01%

แนวโน้มอุตสาหกรรมและการพัฒนาในอนาคต

อุตสาหกรรมแผ่นเวเฟอร์แก้วยืนอยู่ที่จุดเปลี่ยนซึ่งได้รับแรงหนุนจากแนวโน้มต่างๆ ที่มาบรรจบกัน การประกาศของ Intel เกี่ยวกับพื้นผิวแก้วสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง โดยกำหนดเป้าหมายการใช้งานใน กรอบเวลา 2030 สำหรับโปรเซสเซอร์รุ่นต่อไป , ตรวจสอบการลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนาเป็นเวลาหลายปี

นักวิเคราะห์ตลาดคาดการณ์ว่ากลุ่มบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเพียงอย่างเดียวจะใช้เวเฟอร์แก้วซึ่งมีมูลค่ามากกว่า 2 พันล้านดอลลาร์ต่อปีภายในปี 2571 การเติบโตนี้เกิดจากความต้องการประสิทธิภาพการประมวลผลในปัญญาประดิษฐ์ ยานพาหนะที่ขับเคลื่อนอัตโนมัติ และแอปพลิเคชัน Edge Computing ที่ไม่เพียงพอ ซึ่งข้อดีทางไฟฟ้าของแก้วมีความสำคัญมากขึ้น

แอพพลิเคชั่นที่กำลังมาแรง

• บูรณาการโฟโตนิกส์: แผ่นเวเฟอร์แก้วที่มีท่อนำคลื่นแสงแบบฝังช่วยให้สามารถบรรจุวงจรโฟโตนิกและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ร่วมกันสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างกันแบบออปติกที่ทำงานที่อัตราข้อมูลเทราบิตต่อวินาที
• คอมพิวเตอร์ควอนตัม: การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำและความเสถียรทางความร้อนของกระจกชนิดพิเศษทำให้เป็นซับสเตรตที่น่าสนใจสำหรับอาร์เรย์ควิบิตตัวนำยิ่งยวด
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น: แผ่นเวเฟอร์แก้วบางเฉียบ (ความหนาไม่เกิน 30 ไมโครเมตร) ให้พื้นผิวที่มีความยืดหยุ่นเชิงกลแต่ทนทานทางเคมีสำหรับจอแสดงผลที่โค้งงอได้และเซ็นเซอร์ที่สวมใส่ได้

ความพยายามในการมาตรฐานผ่านองค์กรต่างๆ เช่น SEMI กำลังกำหนดข้อกำหนดสำหรับขนาดแผ่นเวเฟอร์แก้ว ความทนทานต่อความเรียบ และคุณสมบัติของวัสดุ มาตรฐานเหล่านี้จะเร่งการยอมรับโดยการลดความเสี่ยงด้านเทคนิคและช่วยให้ห่วงโซ่อุปทานหลายแหล่งสำหรับการผลิตในปริมาณมาก