เวเฟอร์ควอตซ์กับแก้ว: อธิบายความแตกต่างที่สำคัญ

สำหรับการใช้งานแผ่นเวเฟอร์แบบออปติคัลส่วนใหญ่ ควอตซ์มีประสิทธิภาพเหนือกว่ากระจกมาตรฐาน ข้อเสนอเวเฟอร์ออปติคัลควอตซ์ การส่งผ่านรังสียูวีที่เหนือกว่า (สูงถึง 150 นาโนเมตร) ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำกว่า (0.55 x 10-6/K) และความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้น ทำให้สารเหล่านี้เป็นสารตั้งต้นที่ต้องการในการพิมพ์หินเซมิคอนดักเตอร์ เลนส์ Deep-UV และโฟโตนิกส์ที่มีความแม่นยำ อย่างไรก็ตาม แผ่นเวเฟอร์แก้วยังคงเป็นตัวเลือกที่คุ้มค่าและใช้งานได้จริง โดยที่ความโปร่งใสของรังสียูวีและความคงตัวทางความร้อนไม่ใช่ข้อกำหนดที่สำคัญ

ออปติคัลเวเฟอร์คืออะไร

เวเฟอร์แสง เป็นพื้นผิวเรียบและบางที่ประดิษฐ์ขึ้นเพื่อให้มีความทนทานต่อรูปทรงเรขาคณิตและพื้นผิวที่เข้มงวด ใช้เป็นฐานสำหรับส่วนประกอบทางแสง โฟโตมาสก์ เซ็นเซอร์ และอุปกรณ์โฟโตนิกแบบรวม พวกเขาแตกต่างจากเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์เกรดอิเล็กทรอนิกส์โดยหลักตรงที่คุณสมบัติทางแสง เช่น การส่งผ่าน ความสม่ำเสมอ และความสม่ำเสมอของดัชนีการหักเหของแสง มีความสำคัญพอๆ กับคุณสมบัติทางกล

ตระกูลวัสดุหลักสองตระกูล ได้แก่ ควอตซ์ (ซิลิกาหลอมหรือผลึกควอตซ์) และแก้วรูปแบบต่างๆ (บอโรซิลิเกต อลูมิโนซิลิเกต และโซดาไลม์) แต่ละชุดมีคุณลักษณะทางแสง ความร้อน และทางกลที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งกำหนดความเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่กำหนด

ความแตกต่างของวัสดุหลักระหว่างควอตซ์และแก้ว

การทำความเข้าใจความแตกต่างเชิงโครงสร้างระหว่างควอตซ์และแก้วทำให้กระจ่างว่าทำไมจึงทำงานต่างกันในฐานะซับสเตรตเวเฟอร์แบบออปติคอล

องค์ประกอบและโครงสร้าง

ซิลิกาผสม (รูปแบบทั่วไปของเวเฟอร์ควอตซ์เกรดออปติคอล) ประกอบด้วยซิลิคอนไดออกไซด์เกือบบริสุทธิ์ (SiO2) โดยมีระดับสิ่งเจือปนต่ำกว่า 1 ppm ผลึกควอตซ์ก็เป็น SiO2 เช่นกัน แต่อยู่ในโครงตาข่ายที่ได้รับคำสั่ง ในทางตรงกันข้าม แก้วเป็นส่วนผสมอสัณฐานของ SiO2 พร้อมด้วยตัวดัดแปลง เช่น โบรอนออกไซด์ (B2O3) โซเดียมออกไซด์ (Na2O) หรืออะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ซึ่งปรับความสามารถในการขึ้นรูปและต้นทุน แต่ต้องแลกกันทั้งทางแสงและความร้อน

ช่วงการส่งผ่านแสง

นี่อาจเป็นตัวสร้างความแตกต่างที่สำคัญที่สุด ซิลิกาหลอมรวมส่งแสงจากประมาณ 150 นาโนเมตร (ยูวีลึก) ถึง 3,500 นาโนเมตร (อินฟราเรดกลาง) ครอบคลุมหน้าต่างสเปกตรัมที่กว้างกว่ากระจกส่วนใหญ่มาก โดยทั่วไปแล้วแก้วบอโรซิลิเกตมาตรฐานจะส่งผ่านจากประมาณ 300 นาโนเมตรถึง 2,500 นาโนเมตร โดยตัดแสงในช่วงรังสียูวีซึ่งมีการใช้งานการพิมพ์หินด้วยแสงและการเรืองแสงจำนวนมาก สำหรับการพิมพ์หินด้วยเลเซอร์ Excimer 193 นาโนเมตรหรือกระบวนการ KrF 248 นาโนเมตร ซิลิกาที่หลอมละลายเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง

พฤติกรรมการขยายตัวเนื่องจากความร้อน

ความเสถียรทางความร้อนภายใต้สภาวะการหมุนเวียนจะกำหนดว่าเวเฟอร์จะรักษาความแม่นยำของมิติได้ดีเพียงใด ซิลิกาหลอมละลายมี ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ประมาณ 0.55 x 10-6/K เมื่อเทียบกับ 3.3 x 10-6/K สำหรับแก้วบอโรซิลิเกต และสูงถึง 9 x 10-6/K สำหรับแก้วโซดาไลม์ ในความแม่นยำของการซ้อนภาพพิมพ์หิน ค่าความแตกต่างของ CTE แม้แต่ 1 x 10-6/K ในแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในตำแหน่งหลายร้อยนาโนเมตร ซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้ในการสร้างโหนดขั้นสูง

การเปรียบเทียบแบบเคียงข้างกัน: เวเฟอร์ควอตซ์กับแก้ว

ตารางด้านล่างสรุปพารามิเตอร์ประสิทธิภาพหลักสำหรับซิลิกาหลอมรวม (ควอตซ์) เทียบกับแก้วบอโรซิลิเกต ซึ่งเป็นวัสดุเวเฟอร์แสงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในทางปฏิบัติ

โดยที่ Quartz Optical Wafers Excel

เวเฟอร์ออปติคอลควอตซ์เป็นสารตั้งต้นที่เลือกใช้ในการใช้งานโฟโตนิกและเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความต้องการสูง โดยที่ความแม่นยำและช่วงสเปกตรัมไม่สามารถลดทอนลงได้

Photolithography และ Photomask Substrates

ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โฟโตมาสก์จะต้องส่งความยาวคลื่นสัมผัสที่มีการดูดกลืนแสงเกือบเป็นศูนย์ และรักษาความเสถียรของมิติตลอดวงจรความร้อน ซิลิกาผสมเป็นวัสดุที่ใช้งานได้จริงเพียงชนิดเดียวสำหรับการพิมพ์หินแช่ 193 นาโนเมตรและการใช้งานแผ่นเปลือกและหน้ากากเปล่าที่เกี่ยวข้องกับ EUV โฟโตมาสก์เปล่าขนาด 6 นิ้วที่ทำจากซิลิกาผสมต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความเรียบที่ต่ำกว่า 500 นาโนเมตรทั่วทั้งพื้นผิว พื้นผิวแก้วมาตรฐานไม่สามารถเชื่อถือได้หลังจากการสัมผัสกับความร้อนซ้ำๆ

เครื่องมือวัดเรืองแสงและสเปกโทรสโกปี

ฟลูออโรฟอร์ชีวภาพและมาร์กเกอร์เชิงวิเคราะห์จำนวนมากตื่นเต้นในช่วง UV 200 ถึง 280 นาโนเมตร โฟลว์เซลล์ควอทซ์ คิวเวตต์ และชิปไมโครฟลูอิดิกที่ใช้เวเฟอร์ที่ใช้ในสเปกโทรสโกปี UV-Vis ต้องใช้ซับสเตรตที่ไม่ดูดซับหรือออโตฟลูออเรสเซนต์ในช่วงนี้ แก้ว Borosilicate แสดงการเรืองแสงอัตโนมัติอย่างมีนัยสำคัญเมื่อตื่นเต้นที่ต่ำกว่า 350 นาโนเมตร ซึ่งแนะนำสัญญาณรบกวนพื้นหลังในการตั้งค่าการตรวจจับโมเลกุลเดี่ยว ควอตซ์ลดพื้นหลังนี้ตามลำดับความสำคัญในหลายระบบ

เลนส์เลเซอร์กำลังสูง

ซิลิกาผสมมีเกณฑ์ความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ (LIDT) สูงกว่าแก้วอย่างมากสำหรับเลเซอร์ UV แบบพัลซิ่ง สำหรับระยะเวลาพัลส์นาโนวินาทีที่ 355 นาโนเมตร ค่า LIDT ซิลิกาที่หลอมรวมจะสูงถึง 20 ถึง 30 J/cm2 เมื่อเทียบกับน้อยกว่า 5 J/cm2 สำหรับแก้วแสงหลายประเภท สิ่งนี้ทำให้เวเฟอร์ควอตซ์เป็นสารตั้งต้นมาตรฐานสำหรับเลนส์ปรับรูปร่างลำแสง ตะแกรงเลี้ยวเบน และเอตาลอนในระบบเลเซอร์

MEMS และการผลิตเซ็นเซอร์

ผลึกควอตซ์แตกต่างจากซิลิกาที่หลอมละลาย มีคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกที่ทำให้มีคุณค่าอย่างมีเอกลักษณ์ในการผลิตเครื่องสะท้อนกลับและอุปกรณ์จับเวลา เวเฟอร์ควอตซ์ AT-cut ใช้ในการผลิตออสซิลเลเตอร์ที่มีความคงตัวของความถี่ในช่วงส่วนต่อพันล้านส่วนที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งไม่มีพื้นผิวแก้วใดสามารถทำซ้ำได้เนื่องจากไม่มีการตอบสนองแบบเพียโซอิเล็กทริก

โดยที่เวเฟอร์แบบแก้วเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า

เวเฟอร์แก้วไม่ได้เป็นเพียงทางเลือกที่ด้อยกว่าเท่านั้น ในการใช้งานหลายประเภท มีข้อได้เปรียบในทางปฏิบัติซึ่งทำให้เป็นตัวเลือกที่มีเหตุผลมากขึ้น

• จอแสดงผลแสงที่มองเห็นและเลนส์ภาพ: สำหรับการใช้งานทั้งหมดในช่วงที่มองเห็นได้ 400 ถึง 700 นาโนเมตร แก้วบอโรซิลิเกตให้การส่งผ่านที่เพียงพอโดยมีต้นทุนวัสดุพิมพ์ที่ต่ำกว่ามาก อาเรย์ไมโครเลนส์ที่ใช้เวเฟอร์, สารตั้งต้นของฟิลเตอร์สี และกระจกแบ็คเพลนสำหรับแผงจอแสดงผล โดยทั่วไปจะใช้กระจกด้วยเหตุผลนี้
• ไมโครฟลูอิดิกสำหรับผู้บริโภคและอุปกรณ์แล็บบนชิป: ในกรณีที่การสัมผัสรังสียูวีไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการทำงาน ชิปไมโครฟลูอิดิกแก้วมีราคาถูกกว่าชิปควอทซ์ที่เทียบเท่ากันถึง 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ โดยมีทางเลือกในการทนต่อสารเคมีและการทำงานของพื้นผิวที่เทียบเคียงได้
• กระจกครอบเซนเซอร์ภาพ CMOS: เวเฟอร์แก้วบอโรซิลิเกตหรืออลูมิโนซิลิเกตบางทำหน้าที่เป็นซับสเตรตฝาครอบป้องกันในแพ็คเกจเซ็นเซอร์รับภาพ ซึ่งต้นทุนที่ต่ำกว่าและความเข้ากันได้กับกระบวนการหั่นลูกเต๋าและการเชื่อมแบบมาตรฐานมีมากกว่าข้อได้เปรียบในการส่งผ่านรังสี UV เล็กน้อยของควอตซ์
• ต้นแบบและส่วนประกอบทางแสงปริมาณน้อย: สำหรับการพัฒนาที่ความคลาดเคลื่อนของมิติอยู่ในระดับปานกลางและไม่มีการทดสอบประสิทธิภาพของรังสียูวี แผ่นเวเฟอร์แก้วจะช่วยลดต้นทุนวัสดุได้อย่างมากโดยไม่กระทบต่อการตรวจสอบความถูกต้องของการพิสูจน์แนวคิด

มาตรฐานคุณภาพพื้นผิวและการขัดเงา

ทั้งควอตซ์และเวเฟอร์ออปติคัลแก้วได้รับการระบุตามมาตรฐานคุณภาพพื้นผิวที่ควบคุมระดับการขุดรอยขีดข่วน ความหยาบของพื้นผิว และความเรียบ อย่างไรก็ตาม ควอตซ์และแก้วมีพฤติกรรมแตกต่างกันระหว่างการขัดเงา

ซิลิกาผสมเนื่องจากมีความแข็ง (ความแข็งของ Knoop ประมาณ 615 กก./มม.2) จึงต้องอาศัยรอบการขัดเงาที่นานขึ้นเพื่อให้ได้ค่าความหยาบของพื้นผิวต่ำกว่าอังสตรอม (Ra น้อยกว่า 0.5 นาโนเมตร) ซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้โฟโตมาสก์และเอทาลอนที่มีความแม่นยำ แก้วที่มีความอ่อนกว่าจึงสามารถเข้าถึงค่าความหยาบที่เทียบเคียงได้เร็วกว่า แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดความเสียหายใต้ผิวดินในระหว่างการขัดมากกว่า หากพารามิเตอร์การขัดถูไม่ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวัง

สามารถทำข้อกำหนดการเจาะแบบเกาตั้งแต่ 10-5 ขึ้นไปในวัสดุทั้งสองชนิด ภายใต้สภาวะที่มีการควบคุม แต่การรักษาคุณภาพนี้ด้วยขั้นตอนการหั่นเป็นลูกเต๋า การทำความสะอาด และการเคลือบ โดยทั่วไปแล้วจะมีความน่าเชื่อถือมากกว่าสำหรับควอตซ์ เนื่องจากมีความแข็งและความเฉื่อยทางเคมีมากกว่า

ความเข้ากันได้ทางเคมีและการประมวลผลในห้องสะอาด

ในสภาพแวดล้อมห้องปลอดเชื้อเซมิคอนดักเตอร์ ความเข้ากันได้ของซับสเตรตกับสารเคมีเปียก กระบวนการพลาสมา และขั้นตอนการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงถือเป็นสิ่งสำคัญ

ซิลิกาหลอมละลายสามารถทนต่อกรดเกือบทั้งหมด ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดฟอสฟอริกร้อน และทนทานต่อกระบวนการทางความร้อนได้สูงถึงประมาณ 1,100 องศาเซลเซียส โดยไม่เสียรูป เวเฟอร์แก้วอาจชะล้างไอออนอัลคาไลภายใต้สภาวะทางเคมีบางอย่างที่เปียก ซึ่งอาจปนเปื้อนในอ่างกระบวนการ หรือทำให้เกิดสารเจือปนสายพันธุ์ที่ไม่ต้องการใกล้กับโครงสร้างของอุปกรณ์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ ตัวอย่างเช่น แก้วโซดาไลม์จะปล่อยไอออนโซเดียมในสารละลายอัลคาไลน์ร้อน ซึ่งเข้ากันไม่ได้กับกระบวนการทำความสะอาด CMOS มาตรฐาน

แก้วโบโรซิลิเกตมีความทนทานต่อสารเคมีได้ดีกว่าแก้วโซดาไลม์อย่างมาก และใช้ในการใช้งาน MEMS และไมโครฟลูอิดิกบางประเภท แต่ก็ยังไม่สามารถเทียบได้กับซิลิกาที่หลอมละลายในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงหรือได้รับโฟตอนจากรังสียูวีในระดับลึก

วิธีเลือกระหว่างควอตซ์และแก้วสำหรับการใช้งานแผ่นเวเฟอร์แบบออปติคัลของคุณ

การเลือกวัสดุพิมพ์ที่เหมาะสมจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุที่ตรงกับข้อกำหนดการใช้งาน เกณฑ์การตัดสินใจต่อไปนี้ช่วยจำกัดตัวเลือกให้แคบลง:

1. ตรวจสอบช่วงความยาวคลื่นของคุณก่อน หากส่วนใดส่วนหนึ่งของกระบวนการของคุณทำงานต่ำกว่า 300 นาโนเมตร จำเป็นต้องใช้ควอตซ์ (ซิลิกาผสม) ไม่มีพื้นผิวแก้วใดที่ให้การส่งผ่านรังสียูวีที่เชื่อถือได้ในช่วงนี้
2. ประเมินความต้องการการหมุนเวียนความร้อน หากเวเฟอร์ของคุณพบกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงมากกว่า 50 องศา C ในระหว่างการประมวลผลหรือการทำงาน CTE ที่ต่ำกว่า 6 เท่าของซิลิกาที่หลอมละลายจะช่วยลดข้อผิดพลาดด้านขนาดที่เกิดจากความร้อนได้อย่างมาก
3. ประเมินสภาวะการสัมผัสสารเคมี หากซับสเตรตสัมผัสกับสารละลายอัลคาไลน์ HF หรือกรดอุณหภูมิสูงที่อุณหภูมิกระบวนการสูงกว่า 80 องศาเซลเซียส ควอตซ์จะให้ความต้านทานและความสะอาดของไอออนที่เหนือกว่า
4. พิจารณางบประมาณเทียบกับปริมาณ สำหรับการใช้งานที่กระจกมีความเพียงพอทางเทคนิค สามารถประหยัดต้นทุนได้ 40 ถึง 70 เปอร์เซ็นต์ต่อแผ่นเวเฟอร์ สำหรับเซนเซอร์ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ในปริมาณมากหรือซับสเตรตที่เกี่ยวข้องกับการแสดงผล กระจกถือเป็นตัวเลือกทางวิศวกรรมที่ใช้งานได้จริง
5. ปัจจัยด้านเพียโซอิเล็กทริกหากจำเป็น มีเพียงผลึกควอตซ์เท่านั้นที่ให้การตอบสนองแบบเพียโซอิเล็กทริกที่จำเป็นสำหรับตัวสะท้อนเสียง ออสซิลเลเตอร์ และทรานสดิวเซอร์ MEMS บางตัว ทั้งซิลิกาและแก้วที่หลอมละลายไม่มีคุณสมบัตินี้

บทสรุป

เวเฟอร์ออปติคอลควอทซ์เป็นสารตั้งต้นทางเทคนิคที่เหนือกว่าสำหรับการใช้งานด้านออพติคอลและโฟโตนิกที่มีความต้องการส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในทุกที่ที่ความโปร่งใสของรังสียูวี ความคงตัวของมิติทางความร้อน เกณฑ์ความเสียหายของเลเซอร์สูง หรือความบริสุทธิ์ของสารเคมีไม่สามารถต่อรองได้ แผ่นเวเฟอร์แบบแก้วยังคงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมในการใช้งานที่มีความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ คำนึงถึงต้นทุน หรือมีความแม่นยำต่ำกว่า โดยที่คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพนั้นเพียงพอแล้ว การตัดสินใจไม่ได้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ดีกว่าในระดับสากล แต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่สอดคล้องกับข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งาน