Quartz vs sklenené optické doštičky: vysvetlené kľúčové rozdiely

Pre väčšinu aplikácií optických plátkov kremeň prekonáva štandardné sklo. Ponuka quartzových optických doštičiek vynikajúca UV priepustnosť (až do 150 nm), nižší koeficient tepelnej rozťažnosti (0,55 x 10-6/K) a vyššia čistota , čo z nich robí preferovaný substrát v polovodičovej litografii, hĺbkovej UV optike a presnej fotonike. Sklenené doštičky však zostávajú nákladovo efektívnou a praktickou voľbou tam, kde UV transparentnosť a tepelná stabilita nie sú kritickými požiadavkami.

Čo sú to optické doštičky

Optické doštičky sú tenké, ploché substráty vyrobené s prísnymi geometrickými a povrchovými toleranciami, používané ako základ pre optické komponenty, fotomasky, senzory a integrované fotonické zariadenia. Líšia sa od polovodičových doštičiek elektronickej kvality predovšetkým tým, že ich optické vlastnosti, ako je prenos, homogenita a jednotnosť indexu lomu, sú rovnako dôležité ako ich mechanické vlastnosti.

Dve dominantné skupiny materiálov sú kremeň (tavený oxid kremičitý alebo kryštalický kremeň) a rôzne formy skla (borosilikátové, hlinitokremičitanové a sodnovápenaté). Každý nesie odlišnú sadu optických, tepelných a mechanických charakteristík, ktoré určujú jeho vhodnosť pre danú aplikáciu.

Kľúčové materiálové rozdiely medzi kremeňom a sklom

Pochopenie štrukturálnych rozdielov medzi kremeňom a sklom objasňuje, prečo fungujú odlišne ako optické substráty plátkov.

Zloženie a štruktúra

Tavený oxid kremičitý (najbežnejšia forma kremenného plátku optickej kvality) sa skladá z takmer čistého oxidu kremičitého (SiO2) s úrovňami nečistôt pod 1 ppm. Kryštalický kremeň je tiež SiO2, ale v usporiadanej mriežke. Sklo je naproti tomu amorfná zmes SiO2 s modifikátormi, ako je oxid boritý (B2O3), oxid sodný (Na2O) alebo oxid hlinitý (Al2O3), ktoré upravujú spracovateľnosť a cenu, ale prinášajú optické a tepelné kompromisy.

Rozsah optického prenosu

Toto je pravdepodobne najdôležitejší diferenciátor. Tavený oxid kremičitý prepúšťa svetlo od približne 150 nm (hlboké UV) do 3 500 nm (stredné infračervené žiarenie) pokrýva oveľa širšie spektrálne okno ako väčšina typov skla. Štandardné borosilikátové sklo typicky prepúšťa od približne 300 nm do 2 500 nm, pričom prerušuje UV oblasť, kde funguje mnoho fotolitografických a fluorescenčných aplikácií. Pre 193 nm ArF excimerovú laserovú litografiu alebo 248 nm KrF procesy je tavený oxid kremičitý v podstate povinný.

Správanie pri tepelnej rozťažnosti

Tepelná stabilita v podmienkach cyklovania určuje, ako dobre si doštička zachováva rozmerovú presnosť. Tavený oxid kremičitý má a koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) približne 0,55 x 10-6/K v porovnaní s 3,3 x 10-6/K pre borosilikátové sklo a až 9 x 10-6/K pre sodno-vápenaté sklo. V presnosti litografického prekrytia môže rozdiel CTE dokonca 1 x 10-6/K na 300 mm plátku produkovať polohové chyby stoviek nanometrov, čo je pri pokročilej výrobe uzlov neprijateľné.

Porovnanie vedľa seba: Quartz vs Glass Optical Wafers

Nižšie uvedená tabuľka sumarizuje primárne parametre výkonu pre tavený oxid kremičitý (kremeň) oproti borosilikátovému sklu, čo sú dva najpoužívanejšie optické doštičkové materiály v praxi.

Kde Quartz Optical Wafers Excel

Kremenné optické doštičky sú substrátom voľby v náročných fotonických a polovodičových aplikáciách, kde nemožno ohroziť presnosť a spektrálny rozsah.

Fotolitografia a fotomaskové substráty

Pri výrobe polovodičov musia fotomasky prenášať expozičné vlnové dĺžky s takmer nulovou absorpciou a udržiavať rozmerovú stabilitu počas tepelných cyklov. Tavený oxid kremičitý je jediným praktickým materiálom pre 193 nm ponornú litografiu a aplikácie pelikuly a prázdne masky súvisiace s EUV. 6-palcový štvorcový polotovar fotomasky vyrobený z taveného oxidu kremičitého musí spĺňať špecifikácie rovinnosti pod 500 nm na celom povrchu, čo štandardný sklenený substrát nemôže spoľahlivo dosiahnuť po opakovanom tepelnom vystavení.

Fluorescenčné a spektroskopické prístroje

Mnohé biologické fluorofóry a analytické markery sú excitované v UV rozsahu 200 až 280 nm. Kremenné prietokové kyvety, kyvety a mikrofluidné čipy na báze doštičiek používané v UV-Vis spektroskopii vyžadujú substráty, ktoré neabsorbujú ani autofluorescujú v tomto rozsahu. Borosilikátové sklo vykazuje významnú autofluorescenciu pri excitácii pod 350 nm , ktorý zavádza šum pozadia v nastaveniach detekcie jednej molekuly. Kremeň toto pozadie v mnohých systémoch rádovo znižuje.

Vysokovýkonná laserová optika

Tavený oxid kremičitý má prah poškodenia vyvolaného laserom (LIDT) výrazne vyšší ako sklo pre pulzné UV lasery. Pre trvanie nanosekundových impulzov pri 355 nm môžu hodnoty LIDT z taveného oxidu kremičitého dosiahnuť 20 až 30 J/cm2 v porovnaní s menej ako 5 J/cm2 pre mnohé typy optických skiel. Vďaka tomu sú kremenné doštičky štandardným substrátom pre optiku tvarujúcu lúč, difrakčné mriežky a etalóny v laserových systémoch.

MEMS a výroba senzorov

Kryštalický kremeň, odlišný od taveného oxidu kremičitého, vykazuje piezoelektrické vlastnosti, vďaka ktorým je jedinečne cenný pri výrobe rezonátorov a časovacích zariadení. Kremenné doštičky s rezom AT sa používajú na výrobu oscilátorov s frekvenčnou stabilitou v rozsahu častíc na miliardu pri izbovej teplote, ktoré žiadny sklenený substrát nedokáže replikovať kvôli absencii piezoelektrickej odozvy.

Kde sú sklenené optické doštičky lepšou voľbou

Sklenené oblátky nie sú len podradnými alternatívami. Vo viacerých kategóriách použitia ponúkajú praktické výhody, ktoré z nich robia racionálnejšiu voľbu.

• Displej s viditeľným svetlom a zobrazovacia optika: Pre aplikácie pracujúce výlučne vo viditeľnom rozsahu 400 až 700 nm poskytuje borosilikátové sklo adekvátnu priepustnosť s oveľa nižšími nákladmi na substrát. Polia mikrošošoviek na báze plátkov, substráty farebných filtrov a zadné sklo pre zobrazovacie panely z tohto dôvodu bežne používajú sklo.
• Spotrebiteľská mikrofluidika a laboratórne zariadenia na čipe: Ak nie je súčasťou pracovného postupu vystavenie UV žiareniu, sklenené mikrofluidné čipy stoja o 30 až 50 percent menej ako ekvivalentné kremenné čipy s porovnateľnou chemickou odolnosťou a možnosťami povrchovej funkcionalizácie.
• Krycie sklo obrazového snímača CMOS: Tenké doštičky z borosilikátového alebo hlinitokremičitanového skla slúžia ako ochranné krycie substráty v obaloch obrazových snímačov, kde ich nižšia cena a kompatibilita so štandardnými procesmi krájania a spájania prevažuje nad miernou výhodou kremeňa v oblasti prenosu UV žiarenia.
• Prototypové a nízkoobjemové optické komponenty: Pre vývojové série, kde sú rozmerové tolerancie mierne a UV výkon sa netestuje, sklenené doštičky podstatne znižujú materiálové náklady bez toho, aby ohrozili overenie konceptu.

Normy kvality povrchu a leštenia

Kremenné aj sklenené optické doštičky sú špecifikované podľa štandardov kvality povrchu, ktoré upravujú hodnotenie škrabancov, drsnosť povrchu a rovinnosť. Kremeň a sklo sa však pri leštení správajú odlišne.

Tavený oxid kremičitý si kvôli svojej tvrdosti (tvrdosť podľa Knoopa približne 615 kg/mm2) vyžaduje dlhšie leštiace cykly na dosiahnutie hodnôt drsnosti povrchu pod angstrom (Ra menej ako 0,5 nm), ktoré sú potrebné pre aplikácie s fotomaskami a presnými etalónmi. Sklo, ktoré je mäkšie, môže rýchlejšie dosiahnuť porovnateľné hodnoty drsnosti, ale je náchylnejšie na poškodenie pod povrchom počas lapovania, ak nie sú dôkladne kontrolované parametre brúsneho materiálu.

Špecifikácie škrabania 10-5 alebo lepšie sú dosiahnuteľné v oboch materiáloch za kontrolovaných podmienok, ale udržanie tejto kvality pomocou krájania, čistenia a poťahovania je vo všeobecnosti spoľahlivejšie s kremeňom kvôli jeho väčšej tvrdosti a chemickej inertnosti.

Chemická kompatibilita a spracovanie v čistých priestoroch

V prostredí čistých priestorov polovodičov je kritická kompatibilita substrátu s mokrými chemikáliami, plazmovými procesmi a krokmi vysokoteplotného žíhania.

Tavený oxid kremičitý je odolný voči takmer všetkým kyselinám okrem kyseliny fluorovodíkovej a horúcej kyseliny fosforečnej a bez deformácie prežije tepelné procesy až do približne 1100 stupňov C. Sklenené doštičky môžu v závislosti od zloženia vylúhovať alkalické ióny za určitých mokrých chemických podmienok, kontaminujúcich procesné kúpele alebo vnášanie nežiaducich látok do blízkosti štruktúr zariadenia. Napríklad sodnovápenaté sklo uvoľňuje sodíkové ióny v horúcich alkalických roztokoch, čo nie je kompatibilné so štandardnými čistiacimi procesmi CMOS.

Borosilikátové sklo ponúka podstatne lepšiu chemickú odolnosť ako sodnovápenaté sklo a používa sa v niektorých MEMS a mikrofluidických aplikáciách, ale stále sa nemôže vyrovnať s taveným oxidom kremičitým vo vysokoteplotnom alebo hlbokom UV prostredí vystavenom fotónom.

Ako si vybrať medzi kremeňom a sklom pre aplikáciu optickej doštičky

Výber správneho substrátu závisí od prispôsobenia vlastností materiálu požiadavkám aplikácie. Nasledujúce rozhodovacie kritériá pomáhajú zúžiť výber:

1. Najprv skontrolujte rozsah vlnových dĺžok. Ak ktorákoľvek časť vášho procesu funguje pod 300 nm, vyžaduje sa kremeň (tavený oxid kremičitý). Žiadny sklenený substrát neposkytuje spoľahlivý prenos UV žiarenia v tomto rozsahu.
2. Vyhodnoťte požiadavky na tepelné cyklovanie. Ak váš plátok zaznamená počas spracovania alebo prevádzky teplotné výkyvy väčšie ako 50 stupňov C, 6x nižší CTE taveného oxidu kremičitého výrazne znižuje tepelne spôsobené rozmerové chyby.
3. Posúďte podmienky chemickej expozície. Ak sa substrát dostane do kontaktu s alkalickými roztokmi, HF alebo vysokoteplotnými kyselinami pri procesných teplotách nad 80 stupňov C, kremeň ponúka vynikajúcu odolnosť a iónovú čistotu.
4. Zvážte rozpočet v porovnaní s objemom. Pre aplikácie, kde sklo technicky postačuje, môže byť úspora nákladov 40 až 70 percent na plátok. Pre veľkoobjemové senzory s viditeľnou vlnovou dĺžkou alebo substráty súvisiace s displejom predstavuje sklo praktickú inžiniersku voľbu.
5. V prípade potreby zvýšte piezoelektrickú energiu. Iba kryštalický kremeň poskytuje piezoelektrickú odozvu potrebnú pre rezonátory, oscilátory a určité MEMS prevodníky. Túto vlastnosť neponúka ani tavený oxid kremičitý, ani sklo.

Záver

Kremenné optické doštičky sú technicky najlepším substrátom vo väčšine náročných optických a fotonických aplikácií najmä všade tam, kde sa nedá vyjednávať UV transparentnosť, tepelná rozmerová stabilita, vysoké prahy poškodenia laserom alebo chemická čistota. Sklenené optické doštičky zostávajú dobre opodstatnenou voľbou v aplikáciách s viditeľnou vlnovou dĺžkou, cenovo citlivých alebo menej presných aplikáciách, kde sú ich výkonové charakteristiky plne primerané. Rozhodnutie nie je o tom, ktorý materiál je všeobecne lepší, ale ktoré vlastnosti zodpovedajú špecifickým požiadavkám danej aplikácie.