Kvarts vs optiska wafers av glas: viktiga skillnader förklaras

För de flesta optiska waferapplikationer överträffar kvarts standardglas. Kvarts optiska wafers erbjuder överlägsen UV-transmission (ned till 150 nm), en lägre termisk expansionskoefficient (0,55 x 10-6/K) och högre renhet , vilket gör dem till det föredragna substratet inom halvledarlitografi, djup-UV-optik och precisionsfotonik. Glasskivor förblir dock ett kostnadseffektivt och praktiskt val där UV-transparens och termisk stabilitet inte är kritiska krav.

Vad är optiska wafers

Optiska wafers är tunna, plana substrat tillverkade för snäva geometriska och yttoleranser, som används som grund för optiska komponenter, fotomasker, sensorer och integrerade fotoniska enheter. De skiljer sig från halvledarskivor av elektronisk kvalitet främst genom att deras optiska egenskaper, såsom transmission, homogenitet och brytningsindexlikformighet, är lika viktiga som deras mekaniska egenskaper.

De två dominerande materialfamiljerna är kvarts (smält kiseldioxid eller kristallin kvarts) och olika former av glas (borosilikat, aluminiumsilikat och sodakalk). Var och en har en distinkt uppsättning optiska, termiska och mekaniska egenskaper som avgör dess lämplighet för en given applikation.

Viktiga materialskillnader mellan kvarts och glas

Att förstå de strukturella skillnaderna mellan kvarts och glas klargör varför de fungerar annorlunda som optiska wafersubstrat.

Sammansättning och struktur

Smält kiseldioxid (den vanligaste formen av kvartsskiva av optisk kvalitet) består av nästan ren kiseldioxid (SiO2) med föroreningsnivåer under 1 ppm. Kristallin kvarts är också SiO2 men i ett ordnat gitter. Glas, däremot, är en amorf blandning av SiO2 med modifierare som boroxid (B2O3), natriumoxid (Na2O) eller aluminiumoxid (Al2O3), som justerar bearbetbarhet och kostnad men introducerar optiska och termiska kompromisser.

Optisk överföringsräckvidd

Detta är utan tvekan den viktigaste differentiatorn. Fuserad kiseldioxid överför ljus från cirka 150 nm (djup UV) till 3 500 nm (mellaninfraröd) , som täcker ett mycket bredare spektralfönster än de flesta glastyper. Standard borosilikatglas sänder vanligtvis från cirka 300 nm till 2 500 nm, och skär av i UV-området där många fotolitografi- och fluorescensapplikationer fungerar. För 193 nm ArF excimer-laserlitografi eller 248 nm KrF-processer är smält kisel i huvudsak obligatoriskt.

Termisk expansionsbeteende

Termisk stabilitet under cykelförhållanden avgör hur väl en wafer bibehåller dimensionsnoggrannheten. Smält kiseldioxid har en termisk expansionskoefficient (CTE) på cirka 0,55 x 10-6/K , jämfört med 3,3 x 10-6/K för borosilikatglas och upp till 9 x 10-6/K för soda-lime-glas. När det gäller litografisk överlagringsnoggrannhet kan en CTE-skillnad på till och med 1 x 10-6/K över en 300 mm wafer ge positionsfel på hundratals nanometer, vilket är oacceptabelt vid avancerad nodtillverkning.

Jämförelse sida vid sida: Kvarts vs optiska oblat av glas

Tabellen nedan sammanfattar de primära prestandaparametrarna för smält kiseldioxid (kvarts) kontra borosilikatglas, de två mest använda optiska wafermaterialen i praktiken.

Där Quartz Optical Wafers Excel

Optiska kvartsskivor är det bästa substratet i krävande fotonik- och halvledarapplikationer där precision och spektralområde inte kan äventyras.

Fotolitografi och fotomasksubstrat

Vid halvledartillverkning måste fotomasker sända exponeringsvåglängder med nästan noll absorption och bibehålla dimensionsstabilitet över termiska cykler. Fused silica är det enda praktiska materialet för 193 nm immersionslitografi och EUV-relaterade pellicle- och maskblankapplikationer. Ett 6-tums fyrkantigt fotomaskämne tillverkat av smält kiseldioxid måste uppfylla planhetsspecifikationer under 500 nm över hela ytan, vilket ett standardglassubstrat inte kan uppnå tillförlitligt efter upprepad termisk exponering.

Instrumentering för fluorescens och spektroskopi

Många biologiska fluoroforer och analytiska markörer exciteras i 200 till 280 nm UV-området. Kvartsflödesceller, kyvetter och waferbaserade mikrofluidchip som används i UV-Vis-spektroskopi kräver substrat som inte absorberar eller autofluorescerar i detta intervall. Borosilikatglas visar signifikant autofluorescens när det exciteras under 350 nm , som introducerar bakgrundsbrus i inställningar för detektering av en enda molekyl. Kvarts minskar denna bakgrund med en storleksordning i många system.

Laseroptik med hög effekt

Fuserad kiseldioxid har en laserinducerad skadetröskel (LIDT) som är betydligt högre än glas för pulsade UV-lasrar. För nanosekunders pulslängder vid 355 nm kan LIDT-värdena för smält kisel nå 20 till 30 J/cm2, jämfört med mindre än 5 J/cm2 för många optiska glastyper. Detta gör kvartsskivor till standardsubstratet för strålformande optik, diffraktionsgitter och etaloner i lasersystem.

MEMS och sensortillverkning

Kristallin kvarts, skild från smält kiseldioxid, uppvisar piezoelektriska egenskaper som gör den unikt värdefull vid tillverkning av resonatorer och tidtagningsenheter. AT-skurna kvartsskivor används för att producera oscillatorer med frekvensstabilitet i intervallet delar per miljard vid rumstemperatur, som inget glassubstrat kan replikera på grund av frånvaron av piezoelektrisk respons.

Där glasoptiska wafers är det bättre valet

Glaswafers är inte bara sämre alternativ. I flera applikationskategorier erbjuder de praktiska fördelar som gör dem till det mer rationella valet.

• Display för synligt ljus och bildoptik: För applikationer som helt och hållet arbetar i det synliga området 400 till 700 nm, ger borosilikatglas adekvat transmission med mycket lägre substratkostnad. Waferbaserade mikrolinsarrayer, färgfiltersubstrat och bakplansglas för bildskärmspaneler använder vanligtvis glas av denna anledning.
• Konsumentmikrofluidik och lab-on-chip-enheter: Där UV-exponering inte är en del av arbetsflödet, kostar glasmikrofluidchips 30 till 50 procent mindre än motsvarande kvartschips med jämförbar kemisk resistens och alternativ för ytfunktionalisering.
• CMOS bildsensor täckglas: Tunna borosilikat- eller aluminiumsilikatglasskivor fungerar som skyddande täcksubstrat i bildsensorpaket, där deras lägre kostnad och kompatibilitet med vanliga tärnings- och bindningsprocesser uppväger den lilla UV-transmissionsfördelen med kvarts.
• Prototyp och optiska komponenter med låg volym: För utvecklingskörningar där dimensionella toleranser är måttliga och UV-prestanda inte testas, reducerar glasskivor materialkostnaden avsevärt utan att kompromissa med proof-of-concept-valideringen.

Ytkvalitet och poleringsstandarder

Både kvarts- och glasoptiska wafers är specificerade enligt ytkvalitetsstandarder som styr skrapgrävningsklasser, ytjämnhet och planhet. Kvarts och glas beter sig dock olika under polering.

Smält kiseldioxid kräver på grund av sin hårdhet (Knoop-hårdhet ca 615 kg/mm2) längre poleringscykler för att nå ytråhetsvärden under ångström (Ra mindre än 0,5 nm) som behövs för fotomask- och precisionstillämpningar. Glas, som är mjukare, kan nå jämförbara råhetsvärden snabbare men är mer benäget att skadas under ytan under lappning om slipparametrarna inte kontrolleras noggrant.

Scratch-dig-specifikationer på 10-5 eller bättre kan uppnås i båda materialen under kontrollerade förhållanden, men att bibehålla denna kvalitet genom tärnings-, rengörings- och beläggningssteg är i allmänhet mer tillförlitligt med kvarts på grund av dess större hårdhet och kemiska tröghet.

Kemisk kompatibilitet och renrumsbearbetning

I halvledarrenrumsmiljöer är substratkompatibilitet med våta kemikalier, plasmaprocesser och högtemperaturglödgningssteg avgörande.

Smält kiseldioxid är resistent mot nästan alla syror utom fluorvätesyra och het fosforsyra, och den överlever termiska processer upp till cirka 1 100 grader C utan deformation. Glasskivor, beroende på sammansättning, kan läcka ut alkalijoner under vissa våta kemiska förhållanden, kontaminera processbad eller introducera oönskade dopningsarter nära enhetsstrukturer. Till exempel frigör soda-kalkglas natriumjoner i varma alkaliska lösningar, vilket är oförenligt med standard CMOS-rengöringsprocesser.

Borosilikatglas erbjuder avsevärt bättre kemisk resistens än soda-kalkglas och används i vissa MEMS- och mikrofluidikapplikationer, men det kan fortfarande inte matcha smält kisel i miljöer med hög temperatur eller djup UV-fotonexponering.

Hur man väljer mellan kvarts och glas för din optiska waferapplikation

Att välja rätt substrat handlar om att matcha materialegenskaper till applikationskrav. Följande beslutskriterier hjälper till att begränsa valet:

1. Kontrollera ditt våglängdsområde först. Om någon del av din process fungerar under 300 nm, krävs kvarts (smält kiseldioxid). Inget glassubstrat ger tillförlitlig UV-transmission i detta område.
2. Utvärdera kraven på termisk cykling. Om din wafer kommer att uppleva temperatursvängningar större än 50 grader C under bearbetning eller drift, minskar den 6x lägre CTE av smält kisel avsevärt termiskt inducerade dimensionsfel.
3. Bedöm kemiska exponeringsförhållanden. Om substratet kommer i kontakt med alkaliska lösningar, HF eller högtemperatursyror vid processtemperaturer över 80 grader C, ger kvarts överlägsen motståndskraft och renhet av joner.
4. Tänk på budget mot volym. För applikationer där glas är tekniskt tillräckligt kan kostnadsbesparingarna vara 40 till 70 procent per wafer. För sensorer för synliga våglängder med hög volym eller bildskärmsrelaterade substrat är glas ett praktiskt tekniskt val.
5. Ta hänsyn till piezoelektricitet om det behövs. Endast kristallint kvarts ger det piezoelektriska svar som krävs för resonatorer, oscillatorer och vissa MEMS-givare. Varken smält kiseldioxid eller glas erbjuder denna egenskap.

Slutsats

Kvartsoptiska wafers är det tekniskt överlägsna substratet för de flesta krävande optiska och fotoniska applikationer , särskilt där UV-transparens, termisk dimensionsstabilitet, höga laserskadtrösklar eller kemisk renhet inte är förhandlingsbara. Optiska wafers av glas förblir ett välmotiverat val i applikationer med synlig våglängd, kostnadskänsliga eller lägre precision där deras prestandaegenskaper är fullt tillräckliga. Beslutet handlar inte om vilket material som är universellt bättre, utan vilka egenskaper som passar de specifika kraven för den aktuella applikationen.