ویفرهای نوری کوارتز در مقابل شیشه: تفاوت های کلیدی توضیح داده شده است

برای اکثر کاربردهای ویفر نوری، کوارتز بهتر از شیشه استاندارد عمل می کند. ارائه ویفرهای نوری کوارتز انتقال برتر UV (تا 150 نانومتر)، ضریب انبساط حرارتی کمتر (0.55 x 10-6/K) و خلوص بالاتر ، آنها را به بستر مطلوب در لیتوگرافی نیمه هادی، اپتیک عمیق UV و فوتونیک دقیق تبدیل می کند. با این حال، ویفرهای شیشه‌ای یک انتخاب مقرون‌به‌صرفه و عملی باقی می‌مانند که در آن شفافیت UV و پایداری حرارتی الزامات حیاتی نیستند.

ویفرهای نوری چیست؟

ویفرهای نوری زیرلایه‌های نازک و مسطحی هستند که با تحمل‌های هندسی و سطحی محکم ساخته می‌شوند و به عنوان پایه‌ای برای اجزای نوری، ماسک‌های نوری، حسگرها و دستگاه‌های فوتونیک یکپارچه استفاده می‌شوند. تفاوت آنها با ویفرهای نیمه هادی درجه الکترونیک عمدتاً در این است که خواص نوری آنها مانند انتقال، همگنی و یکنواختی ضریب شکست به اندازه خواص مکانیکی آنها مهم است.

دو خانواده مواد غالب عبارتند از کوارتز (سیلیس ذوب شده یا کوارتز کریستالی) و اشکال مختلف شیشه (بوروسیلیکات، آلومینوسیلیکات و سودا-آهک). هر کدام دارای مجموعه مشخصی از ویژگی های نوری، حرارتی و مکانیکی هستند که مناسب بودن آن را برای یک کاربرد معین تعیین می کند.

تفاوت اصلی مواد بین کوارتز و شیشه

درک تفاوت های ساختاری بین کوارتز و شیشه روشن می کند که چرا آنها به عنوان بسترهای ویفر نوری عملکرد متفاوتی دارند.

ترکیب و ساختار

سیلیس ذوب شده (متداول ترین شکل ویفر کوارتز درجه نوری) از دی اکسید سیلیکون تقریبا خالص (SiO2) با سطوح ناخالصی زیر 1 ppm تشکیل شده است. کوارتز کریستالی نیز SiO2 است اما در یک شبکه منظم. در مقابل، شیشه یک مخلوط بی شکل از SiO2 با اصلاح‌کننده‌هایی مانند اکسید بور (B2O3)، اکسید سدیم (Na2O) یا اکسید آلومینیوم (Al2O3) است که فرآیندپذیری و هزینه را تنظیم می‌کند اما مبادلات نوری و حرارتی را ایجاد می‌کند.

محدوده انتقال نوری

مسلماً این مهمترین عامل تمایز است. سیلیس ذوب شده نور را از حدود 150 نانومتر (عمیق UV) تا 3500 نانومتر (مادون قرمز میانی) منتقل می کند. ، پنجره طیفی بسیار وسیع تری را نسبت به انواع شیشه ای پوشش می دهد. شیشه بوروسیلیکات استاندارد معمولاً از حدود 300 نانومتر تا 2500 نانومتر منتقل می شود و در ناحیه UV که بسیاری از کاربردهای فوتولیتوگرافی و فلورسانس در آن کار می کنند، قطع می شود. برای لیتوگرافی لیزر اگزایمر 193 نانومتری ArF یا فرآیندهای KrF 248 نانومتری، سیلیس ذوب شده اساساً اجباری است.

رفتار انبساط حرارتی

پایداری حرارتی در شرایط دوچرخه‌سواری تعیین می‌کند که یک ویفر چقدر دقت ابعادی را حفظ می‌کند. سیلیس ذوب شده دارای یک ضریب انبساط حرارتی (CTE) تقریباً 0.55 x 10-6/K در مقایسه با 3.3 x 10-6/K برای شیشه بوروسیلیکات و تا 9 x 10-6/K برای شیشه سودا-آهک. در دقت همپوشانی لیتوگرافی، اختلاف CTE حتی 1*10-6/K در یک ویفر 300 میلی متری می تواند خطاهای موقعیتی صدها نانومتر ایجاد کند که در ساخت گره های پیشرفته غیرقابل قبول است.

مقایسه کنار هم: کوارتز در مقابل ویفرهای نوری شیشه ای

جدول زیر پارامترهای عملکرد اولیه سیلیس ذوب شده (کوارتز) در مقابل شیشه بوروسیلیکات، دو ماده ویفر نوری پرکاربرد در عمل را خلاصه می کند.

جایی که کوارتز نوری ویفر اکسل

ویفرهای نوری کوارتز بستر منتخب در کاربردهای فوتونیک و نیمه هادی هستند که دقت و محدوده طیفی را نمی توان به خطر انداخت.

فتولیتوگرافی و بسترهای فوتوماسک

در تولید نیمه هادی، ماسک های نوری باید طول موج های نوردهی را با جذب نزدیک به صفر منتقل کنند و ثبات ابعادی را در طول چرخه های حرارتی حفظ کنند. سیلیس ذوب شده تنها ماده عملی برای لیتوگرافی غوطه وری 193 نانومتری و کاربردهای پلیکلی و ماسک خالی مرتبط با EUV است. یک ماسک نوری مربعی 6 اینچی ساخته شده از سیلیس ذوب شده باید دارای مشخصات صافی زیر 500 نانومتر در سراسر سطح باشد، یک بستر شیشه ای استاندارد نمی تواند پس از قرار گرفتن در معرض حرارتی مکرر به طور قابل اعتمادی به دست آید.

ابزارهای فلورسانس و طیف سنجی

بسیاری از فلوروفورهای بیولوژیکی و نشانگرهای تحلیلی در محدوده 200 تا 280 نانومتر UV برانگیخته می شوند. سلول‌های جریان کوارتز، کووت‌ها و تراشه‌های میکروسیال مبتنی بر ویفر که در طیف‌سنجی UV-Vis استفاده می‌شوند، به بسترهایی نیاز دارند که در این محدوده جذب یا اتوفلورسانس نمی‌شوند. شیشه بوروسیلیکات هنگامی که زیر 350 نانومتر برانگیخته می شود، خود فلورسانس قابل توجهی را نشان می دهد ، که نویز پس زمینه را در تنظیمات تشخیص تک مولکولی معرفی می کند. کوارتز در بسیاری از سیستم‌ها این پس‌زمینه را با مرتبه‌ای کاهش می‌دهد.

اپتیک لیزری پرقدرت

سیلیس ذوب شده دارای آستانه آسیب ناشی از لیزر (LIDT) به طور قابل توجهی بالاتر از شیشه برای لیزرهای UV پالسی است. برای مدت زمان پالس نانوثانیه در 355 نانومتر، مقادیر LIDT سیلیس ذوب شده می تواند به 20 تا 30 J/cm2 برسد، در مقایسه با کمتر از 5 J/cm2 برای بسیاری از انواع شیشه های نوری. این امر ویفرهای کوارتز را به بستر استاندارد برای اپتیک های شکل دهنده پرتو، گریتینگ های پراش و اتالون ها در سیستم های لیزر تبدیل می کند.

MEMS و ساخت حسگر

کوارتز کریستالی، متمایز از سیلیس ذوب شده، دارای خواص پیزوالکتریک است که آن را در ساخت دستگاه تشدید کننده و زمان‌بندی ارزشمند می‌کند. ویفرهای کوارتز برش AT برای تولید نوسانگرهایی با پایداری فرکانسی در محدوده قسمت در میلیارد در دمای اتاق استفاده می‌شوند، که هیچ بستر شیشه‌ای نمی‌تواند به دلیل عدم وجود پاسخ پیزوالکتریک تکرار شود.

جایی که ویفرهای نوری شیشه ای انتخاب بهتری هستند

ویفرهای شیشه ای به سادگی جایگزین های پایین تری نیستند. در چندین دسته کاربردی، آنها مزایای عملی را ارائه می دهند که آنها را به انتخاب منطقی تر تبدیل می کند.

• نمایشگر نور مرئی و اپتیک تصویربرداری: برای کاربردهایی که به طور کامل در محدوده قابل مشاهده 400 تا 700 نانومتر کار می کنند، شیشه بوروسیلیکات انتقال کافی با هزینه زیرلایه بسیار کمتر را فراهم می کند. آرایه‌های میکرو لنز مبتنی بر ویفر، لایه‌های فیلتر رنگی و شیشه‌های پشتی برای پنل‌های نمایشگر معمولاً به همین دلیل از شیشه استفاده می‌کنند.
• میکروسیالات مصرفی و دستگاه های آزمایشگاهی روی تراشه: در جایی که قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش بخشی از جریان کار نیست، تراشه‌های میکروسیال شیشه‌ای 30 تا 50 درصد کمتر از تراشه‌های کوارتز معادل با مقاومت شیمیایی قابل مقایسه و گزینه‌های عملکردی سطحی قیمت دارند.
• شیشه پوشش سنسور تصویر CMOS: ویفرهای شیشه ای نازک بوروسیلیکات یا آلومینوسیلیکات به عنوان لایه های پوششی محافظ در بسته های حسگر تصویر عمل می کنند، جایی که هزینه کمتر و سازگاری آنها با فرآیندهای استاندارد برش و اتصال به مزیت انتقال ناچیز UV کوارتز بیشتر است.
• نمونه اولیه و اجزای نوری کم حجم: برای مراحل توسعه که در آن تحمل‌های ابعادی متوسط است و عملکرد UV آزمایش نمی‌شود، ویفرهای شیشه‌ای به طور قابل‌توجهی هزینه مواد را بدون به خطر انداختن اعتبار اثبات مفهوم کاهش می‌دهند.

استانداردهای کیفیت و پرداخت سطح

هر دو ویفر نوری کوارتز و شیشه بر اساس استانداردهای کیفیت سطح مشخص شده اند که بر رتبه بندی های حفاری خراش، زبری سطح و صافی حاکم است. با این حال، کوارتز و شیشه در هنگام پرداخت رفتار متفاوتی دارند.

سیلیس ذوب شده، به دلیل سختی آن (سختی Knoop تقریباً 615 کیلوگرم بر میلی متر مربع)، برای رسیدن به مقادیر زبری سطح زیر آنگستروم (Ra کمتر از 0.5 نانومتر) نیاز به چرخه های پرداخت طولانی تری دارد که برای ماسک های نوری و کاربردهای اتالون دقیق مورد نیاز است. شیشه، به دلیل نرم تر بودن، می تواند سریعتر به مقادیر زبری قابل مقایسه برسد، اما اگر پارامترهای ساینده به دقت کنترل نشوند، بیشتر در معرض آسیب های زیرسطحی در حین لپ زدن هستند.

مشخصات حفاری خراش 10-5 یا بهتر در هر دو ماده قابل دستیابی است در شرایط کنترل شده، اما حفظ این کیفیت از طریق مراحل تراشکاری، تمیز کردن و پوشش دادن به طور کلی با کوارتز به دلیل سختی و بی اثری شیمیایی بیشتر قابل اعتمادتر است.

سازگاری شیمیایی و پردازش اتاق تمیز

در محیط های اتاق تمیز نیمه هادی، سازگاری بستر با مواد شیمیایی مرطوب، فرآیندهای پلاسما و مراحل آنیلینگ در دمای بالا حیاتی است.

سیلیس ذوب شده تقریباً در برابر تمام اسیدها به جز اسید هیدروفلوئوریک و اسید فسفریک داغ مقاوم است و در فرآیندهای حرارتی تا حدود 1100 درجه سانتیگراد بدون تغییر شکل زنده می ماند. ویفرهای شیشه ای، بسته به ترکیب، ممکن است یون های قلیایی را تحت شرایط شیمیایی مرطوب خاص شسته، حمام های فرآیند را آلوده کنند یا گونه های ناخواسته ناخواسته را در نزدیکی ساختار دستگاه معرفی کنند. به عنوان مثال، شیشه سودا آهک یون های سدیم را در محلول های قلیایی داغ آزاد می کند که با فرآیندهای تمیز کردن استاندارد CMOS ناسازگار است.

شیشه بوروسیلیکات مقاومت شیمیایی قابل ملاحظه‌ای بهتری نسبت به شیشه‌های سودا آهکی دارد و در برخی از برنامه‌های MEMS و میکروسیالات استفاده می‌شود، اما هنوز نمی‌تواند با سیلیس ذوب شده در محیط‌های با دمای بالا یا عمیق در معرض فوتون UV مطابقت داشته باشد.

نحوه انتخاب بین کوارتز و شیشه برای کاربرد ویفر نوری

انتخاب بستر مناسب به تطابق خواص مواد با الزامات کاربرد بستگی دارد. معیارهای تصمیم گیری زیر به محدود کردن انتخاب کمک می کند:

1. ابتدا محدوده طول موج خود را بررسی کنید. اگر بخشی از فرآیند شما کمتر از 300 نانومتر کار می کند، کوارتز (سیلیکا ذوب شده) مورد نیاز است. هیچ بستر شیشه ای انتقال قابل اعتماد UV را در این محدوده فراهم نمی کند.
2. نیازهای سیکل حرارتی را ارزیابی کنید. اگر ویفر شما نوسانات دمایی بیش از 50 درجه سانتیگراد را در طول پردازش یا عملیات تجربه کند، CTE سیلیس ذوب شده 6 برابر کمتر به طور قابل توجهی خطاهای ابعادی ناشی از حرارت را کاهش می دهد.
3. شرایط قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی را ارزیابی کنید. اگر بستر در دمای بالای 80 درجه سانتیگراد با محلول های قلیایی، HF یا اسیدهای با دمای بالا تماس پیدا کند، کوارتز مقاومت عالی و تمیزی یونی را ارائه می دهد.
4. بودجه را در مقابل حجم در نظر بگیرید. برای کاربردهایی که شیشه از نظر فنی کافی است، صرفه جویی در هزینه می تواند 40 تا 70 درصد در هر ویفر باشد. برای سنسورهای با طول موج مرئی با حجم بالا یا بسترهای مرتبط با صفحه نمایش، شیشه یک انتخاب مهندسی عملی است.
5. در صورت نیاز، پیزوالکتریک را فاکتور کنید. فقط کوارتز کریستالی پاسخ پیزوالکتریک مورد نیاز برای تشدید کننده ها، نوسانگرها و مبدل های MEMS خاص را فراهم می کند. نه سیلیس ذوب شده و نه شیشه این ویژگی را ندارند.

نتیجه گیری

ویفرهای نوری کوارتز از نظر فنی بستر برتر در اکثر کاربردهای نوری و فوتونیکی هستند. به ویژه در هر جایی که شفافیت UV، پایداری ابعادی حرارتی، آستانه آسیب لیزری بالا، یا خلوص شیمیایی غیرقابل مذاکره باشد. ویفرهای نوری شیشه ای در کاربردهایی با طول موج مرئی، حساس به هزینه یا با دقت کمتر، جایی که ویژگی های عملکرد آنها کاملاً کافی است، انتخابی موجه باقی می مانند. تصمیم گیری در مورد این نیست که کدام ماده به طور کلی بهتر است، بلکه این است که کدام ویژگی با الزامات خاص برنامه مورد نظر مطابقت دارد.