فناوری ویفر شیشه ای: کاربردها، ساخت و ویژگی های کلیدی

ویفرهای شیشه ای چیست و چرا اهمیت دارند

ویفرهای شیشه ای هستند زیرلایه های نازک با مهندسی دقیق ساخته شده از مواد شیشه ای ویژه ضخامت معمولاً از 100 میکرومتر تا چند میلی متر متغیر است. این بسترها به عنوان پلتفرم های اساسی در ساخت نیمه هادی ها، سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، دستگاه های میکروسیال و کاربردهای بسته بندی پیشرفته عمل می کنند. برخلاف ویفرهای سیلیکونی سنتی، ویفرهای شیشه ای شفافیت نوری منحصر به فرد، خواص عایق الکتریکی برتر و ثبات ابعادی استثنایی در دماهای مختلف را ارائه می دهند.

جهانی ویفر شیشه ای بازار رشد قابل توجهی را تجربه کرده است، به طوری که گزارش های صنعت نشان دهنده نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) است تقریباً 8-10٪ بین سالهای 2020 و 2025 . این گسترش با افزایش تقاضا برای interposers در بسته بندی مدار مجتمع 2.5D و 3D انجام می شود، جایی که ویفرهای شیشه ای مزایای مهمی در یکپارچگی سیگنال و مدیریت حرارتی ارائه می دهند.

فرآیندهای تولید ویفرهای شیشه ای

تولید ویفرهای شیشه ای شامل چندین تکنیک ساخت پیچیده است که هر کدام برای دستیابی به تحمل ابعادی خاص و الزامات کیفیت سطح طراحی شده اند.

فرآیند ترسیم فیوژن

روش ترسیم فیوژن، که توسط شرکت هایی مانند کورنینگ پیشگام شد، تولید می کند ورق های شیشه ای فوق العاده تخت با سطوح بکر با جریان دادن شیشه مذاب بر روی یک گوه در حال شکل گیری. این فرآیند نیاز به پرداخت را در هر دو سطح از بین می‌برد و تحمل صافی کمتر از 10 میکرومتر را در ویفرهای با قطر 300 میلی‌متر به دست می‌آورد. ماده به دست آمده دارای مقادیر زبری سطح زیر 1 نانومتر RMS است که آن را برای کاربردهای فوتولیتوگرافی ایده آل می کند.

شیشه فلوت و پولیش

فرآیندهای سنتی شیشه شناور و به دنبال آن پرداخت شیمیایی-مکانیکی (CMP) یک مسیر تولید جایگزین است. در حالی که این رویکرد به مراحل پردازش اضافی نیاز دارد، انعطاف پذیری بیشتری را در ترکیب شیشه ایجاد می کند و می تواند یکنواختی ضخامت را به دست آورد. ± 5 میکرومتر در سراسر بسترهای با فرمت بزرگ .

برش لیزری و پردازش لبه

پس از تشکیل، ورق های شیشه ای تحت برش لیزری دقیق یا خط زدن قرار می گیرند تا ویفرهای جداگانه ایجاد شود. تکنیک‌های پردازش لبه‌ها، لبه‌های بدون تراشه با زوایای اریب کنترل‌شده را تضمین می‌کنند که برای جابجایی خودکار در تجهیزات ساخت نیمه‌رسانا ضروری است. سیستم های مدرن به مشخصات کیفیت لبه با تراکم نقص کمتر از 0.1 عیب در هر سانتی متر خطی دست می یابند.

خواص مواد و ترکیب

ویفرهای شیشه ای هستند engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

پارامترهای عملکرد حیاتی

• ضریب انبساط حرارتی (CTE): تطبیق CTE با سیلیکون (2.6 ppm/°C) استرس را در طول چرخه‌های پردازش حرارتی به حداقل می‌رساند و از تاب برداشتن و لایه لایه شدن جلوگیری می‌کند.
• خواص الکتریکی: مقاومت حجمی بیش از 10^14 اهم سانتی متر عایق عالی برای مسیریابی سیگنال با فرکانس بالا فراهم می کند.
• انتقال نوری: شفافیت بیش از 90 درصد در طول موج های مرئی، تراز را از طریق بستر و پردازش پشتی امکان پذیر می کند.
• دوام شیمیایی: مقاومت در برابر اسیدها، بازها و حلال‌های آلی، سازگاری با مواد شیمیایی پردازش نیمه‌رسانا را تضمین می‌کند.

کاربردهای کلیدی در الکترونیک مدرن

بسته بندی و Interposers پیشرفته

اینترپوزرهای شیشه ای به عنوان یک پدید آمده اند فناوری تغییر بازی برای برنامه های محاسباتی با کارایی بالا . اینتل، TSMC و دیگر کارخانه‌های ریخته‌گری بزرگ سرمایه‌گذاری زیادی روی فناوری لایه‌های شیشه‌ای برای ادغام چیپ‌لت‌ها انجام می‌دهند. شیشه راه‌های شیشه‌ای (TGV) را با قطرهای کوچک به اندازه 10 میکرومتر و گام‌های تا 40 میکرومتر را فعال می‌کند. چگالی اتصال 10 برابر بیشتر از بسترهای آلی .

در پردازنده‌های مرکز داده، اینترپوزرهای شیشه‌ای کاهش اتلاف سیگنال تقریباً 30 تا 40 درصد را در مقایسه با مواد سنتی در فرکانس‌های بالای 50 گیگاهرتز نشان می‌دهند. این بهبود مستقیماً به افزایش بهره وری انرژی و افزایش پهنای باند برای شتاب دهنده های هوش مصنوعی و رابط های حافظه با پهنای باند بالا (HBM) ترجمه می شود.

MEMS و دستگاه های حسگر

ویفرهای شیشه ای بسترهای ایده آلی را برای دستگاه های میکروسیال آزمایشگاهی روی تراشه، سنسورهای فشار و MEMS نوری فراهم می کنند. زیست سازگاری، بی اثری شیمیایی و شفافیت نوری این ماده، آن را به ویژه برای کاربردهای تشخیص پزشکی ارزشمند می کند. شرکت های تولید کننده تراشه های آنالیز خون به طور معمول ویفرهای شیشه ای بوروسیلیکات را با تحمل صافی سطح زیر 2 میکرومتر تغییر ضخامت کل (TTV) .

فن آوری های نمایش

آرایه‌های ترانزیستور لایه نازک (TFT) برای نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) و پنل‌های OLED از بسترهای شیشه‌ای با فرمت بزرگ، با ورق‌های شیشه پردازش نسل 10.5 fabs با ابعاد 2940 میلی‌متر × 3370 میلی‌متر استفاده می‌کنند. این صنعت به اقتصاد قابل توجهی دست یافته است، با کاهش هزینه های زیرلایه به کمتر از 0.50 دلار در هر فوت مربع برای کاربردهای نمایش کالا در حالی که مشخصات دقیق برای عیوب سطح و کنترل ابعاد حفظ شده است.

مزایا نسبت به ویفرهای سیلیکونی

در حالی که سیلیکون به عنوان بستر نیمه هادی غالب باقی می ماند، ویفرهای شیشه ای مزایای قانع کننده ای را برای کاربردهای خاص ارائه می دهند:

1. افت سیگنال کمتر: مقادیر مماس تلفات دی الکتریک 0.003-0.005 عملکرد برتر فرکانس رادیویی (RF) را در مدارهای ارتباطی موج میلی متری امکان پذیر می کند.
2. سایزهای زیرلایه بزرگتر: فناوری تولید شیشه به آسانی به فرمت های مستطیلی 510 × 515 میلی متر می رسد و از محدودیت های عملی ویفرهای سیلیکونی مدور فراتر می رود.
3. کارایی هزینه: برای کاربردهای interposer، بسترهای شیشه ای می توانند 40 تا 60٪ کمتر از حامل های سیلیکونی معادل قیمت داشته باشند در حالی که عملکرد الکتریکی قابل مقایسه یا بهتری را ارائه می دهند.
4. انعطاف طراحی: TGV های شیشه ای را می توان با نسبت ابعاد بالاتر (نسبت عمق به قطر بیش از 10:1) در مقایسه با ویوهای از طریق سیلیکون تشکیل داد که معماری های 3 بعدی فشرده تر را امکان پذیر می کند.
5. دسترسی نوری: انتقال نور مادون قرمز و مرئی امکان تراز کردن، بازرسی، و تکنیک های پردازش را با سیلیکون مات غیرممکن می کند.

چالش ها و راه حل های پردازش

از طریق فن آوری های شکل گیری

ایجاد ویزهای شیشه ای چالش های فنی منحصر به فردی را به همراه دارد. سه روش اصلی بر تولید فعلی غالب است:

• حفاری لیزری: لیزرهای فوق سریع پیکوثانیه یا فمتوثانیه با حداقل مناطق متاثر از حرارت، با سرعت تشکیل 100-500 ویاس در ثانیه با قطرهای 10-100 میکرومتر به دست می‌آیند.
• حکاکی مرطوب: مواد شیمیایی مبتنی بر اسید هیدروفلوئوریک، صافی دیواره جانبی عالی را برای دریچه‌های بزرگتر فراهم می‌کنند، با نرخ اچ قابل کنترل تا 5± درصد در دسته‌های ویفر
• حکاکی خشک: حکاکی یون راکتیو مبتنی بر پلاسما پروفایل های ناهمسانگرد را برای کاربردهایی که به دیواره های جانبی عمودی نیاز دارند ارائه می دهد، اگرچه توان عملیاتی کمتر از روش های لیزری است.

متالیزاسیون و پیوند

رسوب لایه های رسانا روی شیشه نیاز به بهینه سازی دقیق فرآیند دارد. رسوب فیزیکی بخار (PVD) لایه های چسبنده تیتانیوم یا کروم به دنبال رسوب دانه مس، آبکاری بعدی را قادر می سازد تا TGV ها را پر کند. امکانات پیشرفته به دست آورد از طریق بازده پر بیش از 99.5٪ با مقاومت الکتریکی کمتر از 50 میلی اهم در هر .

فن‌آوری‌های پیوند ویفری که برای شیشه‌ها اقتباس شده‌اند شامل اتصال آندی، پیوند همجوشی و چسبندگی هستند که هر کدام برای بودجه حرارتی و نیازهای هرمسیتی متفاوت مناسب هستند. اتصال آندی شیشه بوروسیلیکات به سیلیکون استحکام باند بیش از 20 مگاپاسکال با چگالی فضای خالی رابط کمتر از 0.01٪ را به دست می آورد.

چشم انداز صنعت و تحولات آتی

صنعت ویفر شیشه ای در یک نقطه عطف قرار دارد که توسط چندین روند همگرا هدایت می شود. اعلامیه اینتل از بسترهای شیشه ای برای بسته بندی پیشرفته، هدف قرار دادن پیاده سازی در بازه زمانی 2030 برای پردازنده های نسل بعدی ، سال ها سرمایه گذاری تحقیق و توسعه را تأیید می کند.

تحلیلگران بازار پیش بینی می کنند که بخش بسته بندی پیشرفته به تنهایی تا سال 2028 ویفرهای شیشه ای به ارزش بیش از 2 میلیارد دلار را سالانه مصرف می کند. این رشد ناشی از تقاضای سیری ناپذیر برای عملکرد محاسباتی در هوش مصنوعی، وسایل نقلیه خودمختار و برنامه های محاسباتی لبه است که در آن مزایای الکتریکی شیشه به طور فزاینده ای حیاتی می شود.

برنامه های کاربردی در حال ظهور

• ادغام فوتونیک: ویفرهای شیشه ای با موجبرهای نوری تعبیه شده امکان بسته بندی مدارهای فوتونیکی و الکترونیکی را برای اتصالات نوری با سرعت داده ترابیت بر ثانیه فراهم می کند.
• محاسبات کوانتومی: تلفات دی الکتریک کم و پایداری حرارتی شیشه های مخصوص آنها را به بسترهای جذابی برای آرایه های کیوبیت ابررسانا تبدیل می کند.
• الکترونیک انعطاف پذیر: ویفرهای شیشه ای بسیار نازک (با ضخامت کمتر از 30 میکرومتر) بسترهای مکانیکی انعطاف پذیر و در عین حال از نظر شیمیایی قوی برای نمایشگرهای قابل خم شدن و سنسورهای پوشیدنی فراهم می کنند.

تلاش‌های استانداردسازی از طریق سازمان‌هایی مانند SEMI در حال ایجاد مشخصاتی برای ابعاد ویفر شیشه‌ای، تحمل صافی و خواص مواد است. این استانداردها با کاهش ریسک فنی و فعال کردن زنجیره‌های تامین چند منبعی برای تولید با حجم بالا، پذیرش را تسریع می‌کنند.