Công nghệ wafer thủy tinh: Ứng dụng, sản xuất và các đặc tính chính

Tấm thủy tinh là gì và tại sao chúng quan trọng

Tấm thủy tinh là chất nền mỏng được thiết kế chính xác làm từ vật liệu thủy tinh đặc biệt , thường có độ dày từ 100 micromet đến vài mm. Những chất nền này đóng vai trò là nền tảng nền tảng trong sản xuất chất bán dẫn, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), thiết bị vi lỏng và các ứng dụng đóng gói tiên tiến. Không giống như tấm silicon truyền thống, tấm wafer thủy tinh mang lại độ trong suốt quang học độc đáo, đặc tính cách điện vượt trội và độ ổn định kích thước đặc biệt ở các nhiệt độ khác nhau.

Toàn cầu tấm kính thị trường đã có sự tăng trưởng đáng kể, với các báo cáo ngành cho thấy tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là khoảng 8-10% trong giai đoạn 2020-2025 . Sự mở rộng này được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về bộ chuyển đổi trong bao bì mạch tích hợp 2.5D và 3D, trong đó các tấm kính mang lại những lợi thế quan trọng về tính toàn vẹn tín hiệu và quản lý nhiệt.

Quy trình sản xuất tấm kính

Việc sản xuất tấm thủy tinh bao gồm một số kỹ thuật sản xuất phức tạp, mỗi kỹ thuật được thiết kế để đạt được dung sai kích thước cụ thể và yêu cầu chất lượng bề mặt.

Quá trình vẽ kết hợp

Phương pháp kéo nhiệt hạch, được tiên phong bởi các công ty như Corning, tạo ra tấm kính siêu phẳng với bề mặt nguyên sơ bằng cách cho thủy tinh nóng chảy chảy qua một cái nêm tạo hình. Quá trình này giúp loại bỏ nhu cầu đánh bóng trên cả hai bề mặt, đạt được dung sai độ phẳng dưới 10 micromet trên các tấm bán dẫn có đường kính 300mm. Vật liệu thu được có giá trị độ nhám bề mặt dưới 1 nanomet RMS, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng quang khắc.

Kính nổi và đánh bóng

Các quy trình sản xuất kính nổi truyền thống, sau đó là đánh bóng cơ học hóa học (CMP) là một phương pháp sản xuất thay thế. Mặc dù phương pháp này yêu cầu các bước xử lý bổ sung nhưng nó cho phép thành phần thủy tinh linh hoạt hơn và có thể đạt được độ đồng đều về độ dày của ±5 micromet trên các chất nền khổ lớn .

Cắt laser và xử lý cạnh

Sau khi được hình thành, các tấm kính sẽ trải qua quá trình cắt hoặc khắc laser chính xác để tạo ra các tấm wafer riêng lẻ. Kỹ thuật xử lý cạnh đảm bảo các cạnh không có chip với các góc vát được kiểm soát, rất quan trọng để xử lý tự động trong thiết bị chế tạo chất bán dẫn. Các hệ thống hiện đại đạt được các thông số kỹ thuật chất lượng cạnh với mật độ khuyết tật dưới 0,1 khuyết tật trên mỗi cm tuyến tính.

Tính chất và thành phần vật liệu

Tấm thủy tinh là engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Các thông số hiệu suất quan trọng

• Hệ số giãn nở nhiệt (CTE): Việc kết hợp CTE với silicon (2,6 ppm/°C) giúp giảm thiểu ứng suất trong các chu kỳ xử lý nhiệt, ngăn ngừa cong vênh và tách lớp
• Tính chất điện: Điện trở suất vượt quá 10^14 ohm-cm mang lại khả năng cách nhiệt tuyệt vời cho việc định tuyến tín hiệu tần số cao
• Truyền dẫn quang học: Độ trong suốt lớn hơn 90% ở bước sóng khả kiến cho phép căn chỉnh thông qua quá trình xử lý chất nền và mặt sau
• Độ bền hóa học: Khả năng chống axit, bazơ và dung môi hữu cơ đảm bảo khả năng tương thích với các hóa chất xử lý chất bán dẫn

Các ứng dụng chính trong điện tử hiện đại

Đóng gói và chuyển đổi nâng cao

Bộ chèn kính đã nổi lên như một công nghệ thay đổi cuộc chơi cho các ứng dụng điện toán hiệu năng cao . Intel, TSMC và các hãng sản xuất lớn khác đang đầu tư mạnh vào công nghệ đế thủy tinh để tích hợp chiplet. Kính cho phép các vias xuyên kính (TGV) có đường kính nhỏ tới 10 micromet và bước xuống 40 micromet, đạt được mật độ liên kết cao hơn 10 lần so với chất nền hữu cơ .

Trong bộ xử lý trung tâm dữ liệu, bộ chuyển đổi bằng kính cho thấy mức giảm mất tín hiệu khoảng 30-40% so với vật liệu truyền thống ở tần số trên 50 GHz. Cải tiến này trực tiếp giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tăng băng thông cho các bộ tăng tốc AI và giao diện bộ nhớ băng thông cao (HBM).

MEMS và thiết bị cảm biến

Tấm thủy tinh cung cấp chất nền lý tưởng cho các thiết bị phòng thí nghiệm trên chip vi lỏng, cảm biến áp suất và MEMS quang học. Tính tương thích sinh học, tính trơ hóa học và độ trong suốt quang học của vật liệu khiến nó đặc biệt có giá trị đối với các ứng dụng chẩn đoán y tế. Các công ty sản xuất chip phân tích máu thường xuyên chỉ định các tấm thủy tinh borosilicate có Dung sai độ phẳng bề mặt dưới 2 micromet tổng biến thiên độ dày (TTV) .

Công nghệ hiển thị

Mảng bóng bán dẫn màng mỏng (TFT) dành cho màn hình tinh thể lỏng (LCD) và tấm nền OLED sử dụng đế thủy tinh khổ lớn, với các tấm kính xử lý thế hệ 10.5 có kích thước 2940mm × 3370mm. Ngành này đã đạt được hiệu quả kinh tế vượt trội, với chi phí chất nền giảm xuống dưới 0,50 USD mỗi foot vuông cho các ứng dụng trưng bày hàng hóa trong khi vẫn duy trì các thông số kỹ thuật nghiêm ngặt đối với các khuyết tật bề mặt và kiểm soát kích thước.

Ưu điểm so với tấm silicon

Trong khi silicon vẫn là chất nền bán dẫn chiếm ưu thế, tấm thủy tinh mang lại những lợi thế hấp dẫn cho các ứng dụng cụ thể:

1. Mất tín hiệu thấp hơn: Giá trị tiếp tuyến tổn thất điện môi 0,003-0,005 cho phép hiệu suất tần số vô tuyến (RF) vượt trội trong các mạch truyền thông sóng milimet
2. Kích thước bề mặt lớn hơn: Công nghệ sản xuất kính dễ dàng mở rộng sang dạng hình chữ nhật có kích thước 510mm × 515mm, vượt quá giới hạn thực tế của tấm silicon tròn
3. Hiệu quả chi phí: Đối với các ứng dụng interposer, chất nền thủy tinh có thể có giá thấp hơn 40-60% so với chất mang silicon tương đương trong khi vẫn mang lại hiệu suất điện tương đương hoặc tốt hơn
4. Tính linh hoạt của thiết kế: TGV trong thủy tinh có thể được hình thành với tỷ lệ khung hình cao hơn (tỷ lệ chiều sâu trên đường kính vượt quá 10:1) so với vias xuyên silicon, cho phép kiến trúc 3D nhỏ gọn hơn
5. Truy cập quang học: Truyền ánh sáng hồng ngoại và khả kiến cho phép các kỹ thuật căn chỉnh, kiểm tra và xử lý mặt sau không thể thực hiện được với silicon mờ

Xử lý các thách thức và giải pháp

Thông qua công nghệ hình thành

Tạo vias xuyên kính đặt ra những thách thức kỹ thuật độc đáo. Ba phương pháp chính thống trị sản xuất hiện nay:

• Khoan laze: Laser picosecond hoặc femtosecond cực nhanh cắt bỏ vật liệu với các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt tối thiểu, đạt được tốc độ hình thành 100-500 vias mỗi giây với đường kính từ 10-100 micromet
• Khắc ướt: Các chất hóa học dựa trên axit hydrofluoric mang lại độ mịn thành bên tuyệt vời cho các via lớn hơn, với tốc độ ăn mòn có thể kiểm soát trong phạm vi ±5% trên các lô wafer
• Khắc khô: Khắc ion phản ứng dựa trên plasma cung cấp cấu hình dị hướng cho các ứng dụng yêu cầu thành bên thẳng đứng, mặc dù công suất vẫn thấp hơn so với phương pháp laser

Kim loại hóa và liên kết

Việc đặt các lớp dẫn điện lên kính đòi hỏi phải tối ưu hóa quy trình một cách cẩn thận. Sự lắng đọng hơi vật lý (PVD) của các lớp bám dính titan hoặc crom, sau đó là lắng đọng hạt đồng cho phép quá trình mạ điện tiếp theo lấp đầy TGV. Cơ sở vật chất tiên tiến đạt được thông qua năng suất lấp đầy vượt quá 99,5% với điện trở dưới 50 milliohms mỗi lần qua .

Các công nghệ liên kết wafer thích hợp cho thủy tinh bao gồm liên kết anốt, liên kết nhiệt hạch và liên kết dính, mỗi công nghệ phù hợp với các yêu cầu về mức nhiệt và độ kín khác nhau. Liên kết anốt của thủy tinh borosilicate với silicon đạt được cường độ liên kết vượt quá 20 MPa với mật độ khoảng trống giao diện dưới 0,01%.

Triển vọng ngành và sự phát triển trong tương lai

Ngành công nghiệp tấm wafer thủy tinh đang ở thời điểm chuyển biến được thúc đẩy bởi một số xu hướng hội tụ. Thông báo của Intel về chất nền thủy tinh dành cho bao bì tiên tiến, nhắm mục tiêu triển khai trong Khung thời gian 2030 cho bộ xử lý thế hệ tiếp theo , xác nhận nhiều năm đầu tư nghiên cứu và phát triển.

Các nhà phân tích thị trường dự đoán chỉ riêng phân khúc bao bì tiên tiến sẽ tiêu thụ tấm kính trị giá hơn 2 tỷ USD hàng năm vào năm 2028. Sự tăng trưởng này xuất phát từ nhu cầu vô độ về hiệu suất điện toán trong trí tuệ nhân tạo, xe tự hành và các ứng dụng điện toán biên, nơi lợi thế về điện của kính ngày càng trở nên quan trọng.

Ứng dụng mới nổi

• Tích hợp quang tử: Tấm kính có gắn ống dẫn sóng quang cho phép đóng gói đồng thời các mạch quang tử và điện tử cho các kết nối quang hoạt động ở tốc độ dữ liệu terabit/giây
• Máy tính lượng tử: Sự mất điện môi thấp và độ ổn định nhiệt của kính đặc biệt khiến chúng trở thành chất nền hấp dẫn cho mảng qubit siêu dẫn
• Điện tử linh hoạt: Tấm thủy tinh siêu mỏng (độ dày xuống tới 30 micromet) cung cấp chất nền linh hoạt về mặt cơ học nhưng bền chắc về mặt hóa học cho màn hình có thể uốn cong và cảm biến có thể đeo được

Những nỗ lực tiêu chuẩn hóa thông qua các tổ chức như SEMI đang thiết lập các thông số kỹ thuật về kích thước tấm wafer thủy tinh, dung sai độ phẳng và đặc tính vật liệu. Các tiêu chuẩn này sẽ đẩy nhanh việc áp dụng bằng cách giảm rủi ro kỹ thuật và tạo điều kiện cho chuỗi cung ứng đa nguồn để sản xuất số lượng lớn.