Optické doštičky: Porovnanie skla, kremeňa a zafíru pre presné aplikácie

Borosilikátový plátok a zafírový plátok môžu mať rovnaký priemer 100 mm a hrúbku 1,0 mm, no jeden stojí zlomok druhého a prežije veľmi odlišné pracovné podmienky. V tejto medzere dochádza k väčšine chýb pri nákupe oblátok. V praxi sa správny optický plátok skladá z troch rozhodnutí v tomto poradí: výber materiálu pre jeho priepustnosť, tvrdosť a tepelné správanie; definovať hodnoty rovinnosti a kvality povrchu, ktoré môže následný proces skutočne tolerovať; a pred odoslaním požadovať údaje o kontrole, ktoré dokazujú oboje. Nižšie uvedené časti postupne prechádzajú každým rozhodnutím.

Čo je to optická doska?

Optický plátok je tenký disk z materiálu optickej kvality, typicky skla, taveného kremeňa alebo monokryštálového zafíru, vyrobený s prísnymi toleranciami hrúbky, rovinnosti a kvality povrchu. Na rozdiel od hotového optického okienka, ktoré je inštalované priamo do dráhy lúča, plátok je zvyčajne substrát: počiatočný povrch, ktorý bude potiahnutý, vzorovaný, spojený alebo narezaný počas následného spracovania.

Štandardné priemery sa pohybujú od 25,4 mm (1 palec) do 300 mm, s hrúbkami bežne medzi 0,5 a 1,1 mm, hoci vlastné veľkosti sú v priemyselnej optike rutinné. Päť parametrov oddeľuje použiteľný plátok od odmietnutého:

• Variácia celkovej hrúbky (TTV): rozdiel medzi najhrubším a najtenším bodom na leštenom povrchu.
• Oblúk a osnova: odchýlky strednej roviny plátku od roviny, zvyčajne spôsobené zvyškovým napätím po brúsení alebo lapovaní.
• Kvalita povrchu: triedy škrabancov ako 40-20 alebo 20-10 podľa MIL-PRF-13830, ktoré obmedzujú prípustné škrabance a ryhy.
• Drsnosť povrchu: leštené doštičky typicky dosahujú Ra pod 1 nm a obojstranne leštený materiál pod 0,5 nm.
• Stav hrán: geometria skosenia a limity triesok, ktoré ovplyvňujú mieru lámavosti počas manipulácie a krájania.

Sklo, kremeň alebo zafír: Výber materiálu oblátky

Výber materiálu dominuje v nákladoch a výkone viac ako pri akomkoľvek inom rozhodnutí o plátku. Nasledujúca tabuľka porovnáva rozsahy vlastností, ktoré riadia výber, a poznámky za ňou vysvetľujú, kde si každý materiál zaslúži svoje miesto.

Keď sa výber zúži na dve najčastejšie porovnávané možnosti, rozhodnutie sa zvyčajne zameria skôr na prenos UV žiarenia a tepelnú stabilitu než na cenu. Toto párovanie sa podrobne zaoberáme v našom porovnaní kremenné vs. sklenené optické doštičky .

Sklenené oblátky: Ťažný kôň pre lepenie a nosiče

Sklenené doštičky, zvyčajne borosilikátové alebo podobné optické sklá, sú cenovo najefektívnejšou možnosťou tam, kde sa nevyžaduje extrémna priepustnosť alebo tvrdosť. Ich tepelná rozťažnosť je dostatočne blízko ku kremíku na anodické spojenie, čo z nich robí štandardné substráty pre tlakové senzory MEMS a zapuzdrené zariadenia. Slúžia tiež ako nosné doštičky pri manipulácii s tenkými zariadeniami a ako základné substráty pre vzorovanú optiku. Limity sú skutočné: slabší prenos ultrafialového žiarenia ako tavený kremeň, nižšia odolnosť proti tepelným šokom a povrch, ktorý sa pri opakovaných manipulačných cykloch ľahšie poškriabe.

Sklenené doštičky pre MEMS, senzorové a optické substráty Borosilikátové a podobné sklenené doštičky ponúkajú nízku cenu, transparentnosť a tepelnú rozťažnosť blízku kremíku pre anodické spájanie. Preto stojí za preskúmanie pre substráty senzorov MEMS, nosné doštičky a vzorovanú optiku, kde sa nevyžaduje extrémna priepustnosť UV žiarenia alebo tvrdosť. Zobraziť produkt →

Quartzové doštičky: Nízka expanzia a hlboký UV výkon

Doštičky z taveného kremeňa majú veľmi nízku tepelnú rozťažnosť, približne 0,5 ppm/K, čo je rádovo pod väčšinou skiel, so silným priepustnosťou hlboko do ultrafialového žiarenia. Táto kombinácia vysvetľuje ich úlohu ako polotovarov fotomask, UV optických substrátov a procesných platní vo vnútri polovodičových zariadení. Jedna nákupná pasca si zaslúži pozornosť: „kremeň“ môže znamenať amorfný tavený kremeň alebo piezoelektrický kryštalický kremeň a tieto dva sa podstatne líšia cenou, opracovateľnosťou a aplikáciou. Pred vyžiadaním cenových ponúk si overte, ktorú z nich proces skutočne potrebuje.

Tavený kremeň Wafers with Low Expansion and UV Transmission Doštičky z taveného kremeňa kombinujú tepelnú rozťažnosť okolo 0,5 ppm/K so silným prenosom hlboko do ultrafialového žiarenia. Stojí za to ich vidieť pre polotovary fotomasky, UV optiku a procesné dosky pre polovodičové zariadenia za predpokladu, že proces potrebuje skôr amorfný ako kryštalický kremeň. Zobraziť produkt →

Zafírové doštičky: Tvrdosť a drsné prostredie

Jednokryštálový zafír stojí viac na plátku a obrába sa oveľa pomalšie ako sklo alebo kremeň, ale nič iné v bežnom optickom použití nespája 9-Mohsovu tvrdosť, spektrálne pokrytie od zhruba 150 nm do 5,5 μm a vysokú tepelnú vodivosť. Je to predvolený substrát pre epitaxiu LED z nitridu gália, štandardná voľba pre stredné infračervené okná a senzory vystavené oderu alebo vysokej teplote a čoraz bežnejšie v automobilovej optike. Pretože vlastnosti zafíru závisia od kryštalografickej orientácie, rez, či už C-rovina, R-rovina alebo iná rovina, musí byť výslovne uvedený na výkrese.

Zafírové doštičky pre LED epitaxiu a náročné optické použitie Monokryštálový zafír ponúka tvrdosť 9-Mohs, prenos od približne 150 nm do 5,5 μm a vysokú tepelnú vodivosť. Tento produkt stojí za zváženie pre GaN LED epitaxiu, stredné infračervené okná a senzory čeliace oderu alebo vysokým teplotám so špecifikovanou kryštálovou rovinou. Zobraziť produkt →

Špecifikácie na uzamknutie pred požiadaním o cenovú ponuku

Väčšina odmietnutí doštičiek má pôvod v špecifikáciách, ktoré neboli nikdy uvedené, nie v dôsledku výrobných zlyhaní. Pred odoslaním žiadosti o cenovú ponuku uveďte číslo na každú položku nižšie:

1. Priemer a hrúbka s toleranciami, napríklad 100 mm ± 0,1 mm priemer a 1,0 mm ± 0,05 mm hrúbka, namiesto "nominálnych 100 mm".
2. Limity rovinnosti prispôsobené aplikácii: litografické substráty môžu vyžadovať odchýlku celkovej hrúbky pod niekoľko mikrónov cez číry otvor, zatiaľ čo všeobecné optické použitie toleruje voľnejšie hodnoty.
3. Kvalita povrchu vyjadrená ako škrabanie, zvyčajne 40-20 pre všeobecné použitie a 20-10 tam, kde záleží na rozptýlenom svetle.
4. Formát leštenia, jednostranný alebo obojstranný, pretože na oboch povrchoch záleží, keď plátok podáva optickú dráhu alebo operáciu presného upínania.
5. Orientácia kryštálu pre zafír alebo typ brúsenia pre kryštalický kremeň, skôr zobrazená na výkrese ako predpokladaná.
6. Požiadavky na čistenie, balenie a dokumentáciu vrátane toho, či každá šarža potrebuje mapy rovinnosti interferometra a osvedčenie o zhode.

Ako sa dosahuje a overuje rovinnosť vo výrobe

Plochosť plátku sa vytvára pomocou pevnej sekvencie: pílenie polotovaru, brúsenie na takmer konečnú hrúbku, lapovanie na odstránenie poškodenia pod povrchom, potom leštenie, jednostranné alebo obojstranné, aby sa povrch dostal do špecifikácie. Každá fáza musí odstrániť poškodenie, ktoré zanechala tá predchádzajúca, a náhly krok sa pri konečnej kontrole prejaví ako škrabance alebo zvyškové napätie.

Na overení záleží rovnako ako na spracovaní. TTV, oblúk a osnova sa bežne merajú bezkontaktným optickým skenovaním, zatiaľ čo povrchový obrazec sa potvrdzuje interferometriou pri uvedenej vlnovej dĺžke. Údaj rovinnosti uvedený bez otvoru a vlnovej dĺžky, ako napríklad "λ/10 flat" bez pripojených podmienok, nemožno porovnávať s číslom iného dodávateľa, preto uveďte na výkres oboje.

Kde sa používajú optické doštičky

Optika na báze doštičiek sa objavuje v oveľa väčšom počte odvetví ako samotná výroba polovodičov:

• Výroba polovodičov: substráty pre fotomasky, inšpekčná optika a nosné doštičky na manipuláciu s tenkými zariadeniami.
• Optické senzory v zobrazovacích systémoch: Spracovanie na úrovni plátku vytvára senzorové okná, filtre a mikrošošovkové substráty v dávkach s konzistentnou kvalitou povrchu.
• Zariadenia MEMS: sklenené doštičky anodicky spojené s tlakovými snímačmi, mikrofónmi a rezonátormi vo forme kremíka.
• Ultrafialové a infračervené systémy: tavený kremeň slúži na hĺbkovú UV litografiu a spektroskopiu, zatiaľ čo zafír pokrýva stredné infračervené okná a snímanie vysokých teplôt.
• Automobilový priemysel a LiDAR: rozmerovo stabilné, tvrdé substráty pre optiku vysielača a prijímača, ktoré musia odolávať vibráciám a teplotným výkyvom.

Bežné riziká obstarávania a ako sa im vyhnúť

Štyri problémy predstavujú väčšinu problémov pri získavaní plátkov:

• Nejednoznačné popisy plochosti. Každá rovinnosť potrebuje na výkrese napísanú apertúru, vlnovú dĺžku a metódu merania.
• Nesprávne označenie materiálu. Potvrďte, či „kremeň“ znamená tavený amorfný materiál alebo kryštalický materiál a či je „sklený“ plátok borosilikátový, hlinitokremičitanový alebo iného zloženia, pretože každý sa líši v expanzii a prenose.
• Nesúlad tepelnej rozťažnosti v lepených zostavách. Sklenená doska spojená s kremíkom sa musí zvoliť kvôli kompatibilite s expanziou, inak spoj praskne počas tepelných cyklov.
• Chýbajúce údaje o kontrole. Bez interferometrových máp alebo certifikátu zhody sa problémy s povrchom objavia až po následnom spracovaní, keď odmietnutý plátok stojí najviac.

Práca s výrobcom optických doštičiek

Kupujúci, ktorí hodnotia dodávateľov, potrebujú krátky kontrolný zoznam: overené spracovanie všetkých troch oblátkových materiálov, preukázanú schopnosť kontroly plochosti a systém kvality auditovaný podľa uznávaných noriem. Changzhou Haolilai Photo-Electricity Scientific and Technical Co., Ltd. (HLL) vyrába presné optické komponenty od roku 1998 zo závodu s rozlohou 35 000 metrov štvorcových v národnej high-tech zóne v Changzhou, kde zamestnáva viac ako 300 ľudí a vyváža do viac ako 20 krajín. Spoločnosť je držiteľom certifikácií ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 a IATF 16949, z ktorých posledná podporuje prácu v dodávateľskom reťazci pre automobilový priemysel a prevádzkuje provinčné centrum presného optického inžinierstva, ktoré podporuje zákazkové projekty plátkov a substrátov.

Požiadavky na doštičky sa medzi polovodičovými, automobilovými a laserovými aplikáciami značne líšia, takže najrýchlejšou cestou k presnému stanoveniu ceny je výkres, ktorý nesie vyššie uvedené špecifikácie. Technický tím HLL kontroluje vlastné požiadavky a poskytuje optické riešenia na mieru a žiadosti o cenovú ponuku alebo technické otázky možno posielať prostredníctvom kontaktná stránka .

Krátka verzia: vyberte materiál pre jeho optické a tepelné vlastnosti, špecifikujte rovinnosť a kvalitu povrchu s číslami a podmienkami merania a vyžiadajte si kontrolné údaje s dodávkou. Kupujúci, ktorí postupujú podľa tohto poradia, sa vyhnú najdrahším poruchovým režimom pri získavaní plátkov a prejdú od ponuky ku kvalifikovaným dielom v menšom počte iteračných cyklov.