Tấm quang học: So sánh Thủy tinh, Thạch anh và Sapphire cho các ứng dụng chính xác

Một tấm wafer borosilicate và một tấm wafer sapphire có thể có cùng đường kính 100 mm và độ dày 1,0 mm, tuy nhiên cái này có giá chỉ bằng một phần nhỏ so với cái kia và tồn tại trong một loạt điều kiện làm việc rất khác nhau. Khoảng trống đó là nơi mắc phải hầu hết các sai lầm khi mua wafer. Trong thực tế, tấm bán dẫn quang học phù hợp có ba quyết định được thực hiện theo thứ tự sau: chọn vật liệu cho khả năng truyền dẫn, độ cứng và đặc tính nhiệt của nó; xác định các số liệu về độ phẳng và chất lượng bề mặt mà quy trình tiếp theo thực sự có thể chịu đựng được; và yêu cầu dữ liệu kiểm tra chứng minh cả hai trước khi giao hàng. Các phần bên dưới lần lượt trình bày từng quyết định.

Tấm wafer quang học là gì?

Tấm wafer quang học là một đĩa mỏng làm bằng vật liệu quang học, thường là thủy tinh, thạch anh nung chảy hoặc sapphire đơn tinh thể, được sản xuất với dung sai chặt chẽ về độ dày, độ phẳng và chất lượng bề mặt. Không giống như cửa sổ quang học đã hoàn thiện, được lắp trực tiếp vào đường truyền tia, tấm bán dẫn thường là chất nền: bề mặt ban đầu sẽ được phủ, tạo hoa văn, liên kết hoặc thái hạt lựu trong quá trình xử lý tiếp theo.

Đường kính tiêu chuẩn dao động từ 25,4 mm (1 inch) đến 300 mm, với độ dày thường từ 0,5 đến 1,1 mm, mặc dù kích thước tùy chỉnh là thông thường trong quang học công nghiệp. Năm thông số phân biệt một tấm bán dẫn có thể sử dụng được với một tấm bán dẫn bị loại bỏ:

Tổng biến thiên độ dày (TTV): chênh lệch giữa điểm dày nhất và điểm mỏng nhất trên bề mặt được đánh bóng.
Cung và cong: độ lệch của mặt phẳng giữa wafer so với mặt phẳng, thường gây ra bởi ứng suất dư do mài hoặc mài.
Chất lượng bề mặt: các cấp độ đào xước như 40-20 hoặc 20-10 trên MIL-PRF-13830, giúp hạn chế các vết xước và vết đào cho phép.
Độ nhám bề mặt: các tấm wafer được đánh bóng thường đạt Ra dưới 1 nm và vật liệu được đánh bóng hai mặt dưới 0,5 nm.
Điều kiện cạnh: hình học vát và giới hạn phoi, làm tăng tỷ lệ gãy trong quá trình xử lý và thái hạt lựu.

Thủy tinh, thạch anh hoặc sapphire: Chọn vật liệu wafer

Lựa chọn vật liệu chi phối chi phí và hiệu suất hơn bất kỳ quyết định nào khác về tấm bán dẫn. Bảng bên dưới so sánh các phạm vi thuộc tính thúc đẩy việc lựa chọn và các ghi chú sau đó giải thích vị trí của từng vật liệu.

Bảng 1. Phạm vi đặc tính điển hình của các vật liệu wafer quang học phổ biến; giá trị chính xác phụ thuộc vào loại, hướng tinh thể và nhà sản xuất.
Tài sản	Thủy tinh Borosilicate	Thạch anh hợp nhất	Sapphire (Đơn Pha Lê)
Phạm vi truyền tải có thể sử dụng	~350 nm đến 2,5 μm	~180 nm đến 3,5 μm, có khả năng truyền tia cực tím mạnh	~150 nm đến 5,5 μm, bao phủ tia cực tím qua vùng hồng ngoại trung bình
Độ cứng (Mohs)	~5,5	~5,5 to 6.5	9, cứng hơn bất kỳ vật liệu quang học thông thường nào ngoại trừ kim cương
Sự giãn nở nhiệt	~3,3 trang/phút/K	~0,5 ppm/K, rất thấp	~5,3 đến 8 ppm/K, phụ thuộc vào hướng
Độ dẫn nhiệt	~1 W/m·K	~1,4 W/m·K	~25 đến 40 W/m·K, khả năng truyền nhiệt tuyệt vời
Chi phí tương đối	Thấp	Trung bình	Cao
Ứng dụng wafer điển hình	Chất nền liên kết MEMS, chất mang, quang học hiển thị	Khoảng trống Photomask, quang học UV, tấm xử lý bán dẫn	GaN LED epit Wax, cửa sổ hồng ngoại, cảm biến môi trường khắc nghiệt

Khi lựa chọn thu hẹp lại trong hai lựa chọn được so sánh thường xuyên nhất, quyết định thường xoay quanh khả năng truyền tia cực tím và độ ổn định nhiệt thay vì chỉ giá cả. Chúng tôi trình bày chi tiết về việc ghép nối đó trong phần so sánh của chúng tôi về tấm quang học thạch anh và thủy tinh .

Tấm thủy tinh: Công cụ kết dính và vận chuyển

Tấm thủy tinh, thường là thủy tinh borosilicat hoặc thủy tinh quang học tương tự, là lựa chọn tiết kiệm chi phí nhất khi không yêu cầu độ truyền hoặc độ cứng cao. Sự giãn nở nhiệt của chúng nằm đủ gần silicon để tạo liên kết anốt, khiến chúng trở thành chất nền tiêu chuẩn cho cảm biến áp suất MEMS và các thiết bị được bọc kín. Chúng cũng đóng vai trò như các tấm bán dẫn trong quá trình xử lý thiết bị mỏng và làm chất nền cơ bản cho quang học có hoa văn. Các giới hạn là có thật: khả năng truyền tia cực tím yếu hơn thạch anh nung chảy, khả năng chống sốc nhiệt thấp hơn và bề mặt dễ trầy xước hơn sau các chu kỳ xử lý lặp đi lặp lại.

Glass Wafers for MEMS, Sensor and Optical Substrates

Tấm thủy tinh cho MEMS, cảm biến và chất nền quang học Các tấm wafer thủy tinh borosilicate và tương tự có chi phí thấp, độ trong suốt và độ giãn nở nhiệt gần giống với silicon để liên kết anốt. Điều này làm cho chúng đáng được xem xét đối với chất nền cảm biến MEMS, tấm nền mang và quang học có hoa văn nơi không yêu cầu độ truyền tia cực tím hoặc độ cứng cao. Xem sản phẩm →

Tấm thạch anh: Độ giãn nở thấp và hiệu suất tia cực tím sâu

Các tấm thạch anh nung chảy có độ giãn nở nhiệt rất thấp, khoảng 0,5 ppm/K, thấp hơn hầu hết các loại kính, với khả năng truyền mạnh vào sâu trong vùng tia cực tím. Sự kết hợp đó giải thích vai trò của chúng như các mặt nạ quang, chất nền quang học UV và các tấm xử lý bên trong thiết bị bán dẫn. Một cái bẫy mua hàng đáng được chú ý: "thạch anh" có thể có nghĩa là thạch anh nung chảy vô định hình hoặc thạch anh tinh thể áp điện, và cả hai loại này khác nhau đáng kể về giá cả, khả năng gia công và ứng dụng. Xác nhận quy trình nào thực sự cần trước khi yêu cầu báo giá.

Fused Quartz Wafers with Low Expansion and UV Transmission

Thạch anh hợp nhất Wafers with Low Expansion and UV Transmission Tấm thạch anh nung chảy kết hợp sự giãn nở nhiệt khoảng 0,5 ppm/K với khả năng truyền mạnh vào sâu trong vùng tia cực tím. Chúng đáng xem đối với các khoảng trống mặt nạ quang, quang học UV và các tấm xử lý thiết bị bán dẫn, miễn là quá trình này cần thạch anh vô định hình thay vì thạch anh kết tinh. Xem sản phẩm →

Tấm sapphire: Độ cứng và môi trường khắc nghiệt

Sapphire đơn tinh thể có giá cao hơn trên mỗi tấm bán dẫn và máy hoạt động chậm hơn nhiều so với thủy tinh hoặc thạch anh, nhưng không có loại nào khác được sử dụng quang học thông thường kết hợp độ cứng 9-Mohs, độ bao phủ quang phổ từ khoảng 150 nm đến 5,5 μm và độ dẫn nhiệt cao. Nó là chất nền mặc định cho epit Wax LED gallium nitride, một lựa chọn tiêu chuẩn cho các cửa sổ và cảm biến hồng ngoại trung tiếp xúc với mài mòn hoặc nhiệt độ cao và ngày càng phổ biến trong quang học ô tô. Bởi vì các đặc tính của sapphire phụ thuộc vào hướng tinh thể, nên vết cắt, dù là mặt phẳng C, mặt phẳng R hay mặt phẳng khác, đều phải được nêu rõ ràng trên bản vẽ.

Sapphire Wafers for LED Epitaxy and Harsh Optical Uses

Tấm sapphire cho ứng dụng quang học khắc nghiệt và epit Wax LED Sapphire đơn tinh thể có độ cứng 9 Mohs, truyền từ khoảng 150 nm đến 5,5 μm và độ dẫn nhiệt cao. Sản phẩm này đáng được cân nhắc sử dụng cho epit Wax LED GaN, cửa sổ hồng ngoại trung bình và cảm biến chịu mài mòn hoặc nhiệt độ cao, với mặt phẳng tinh thể được chỉ định. Xem sản phẩm →

Thông số kỹ thuật để khóa trước khi yêu cầu báo giá

Hầu hết các trường hợp loại bỏ wafer đều bắt nguồn từ các thông số kỹ thuật chưa bao giờ được công bố chứ không phải do lỗi sản xuất. Đánh số vào mỗi mục bên dưới trước khi gửi yêu cầu báo giá:

Đường kính và độ dày có dung sai, ví dụ đường kính 100 mm ±0,1 mm và độ dày 1,0 mm ±0,05 mm, thay vì "100 mm danh nghĩa".
Giới hạn độ phẳng phù hợp với ứng dụng: chất nền in thạch bản có thể cần tổng độ dày thay đổi dưới một vài micron trên khẩu độ rõ ràng, trong khi việc sử dụng quang học nói chung chấp nhận các giá trị lỏng lẻo hơn.
Chất lượng bề mặt được biểu thị dưới dạng vết xước, thường là 40-20 cho mục đích sử dụng thông thường và 20-10 khi có ánh sáng tán xạ.
Định dạng đánh bóng, một mặt hoặc hai mặt, vì cả hai bề mặt đều quan trọng khi tấm bán dẫn tiếp xúc với đường quang hoặc hoạt động kẹp chính xác.
Hướng tinh thể cho sapphire hoặc kiểu cắt cho thạch anh kết tinh, được hiển thị trên bản vẽ thay vì giả định.
Các yêu cầu về làm sạch, đóng gói và lập tài liệu, bao gồm cả việc mỗi lô có cần bản đồ độ phẳng của giao thoa kế và giấy chứng nhận tuân thủ hay không.

Độ phẳng đạt được và được kiểm chứng như thế nào trong sản xuất

Độ phẳng của tấm wafer được xây dựng thông qua một trình tự cố định: cưa phôi, mài đến độ dày gần như cuối cùng, mài để loại bỏ hư hỏng dưới bề mặt, sau đó đánh bóng, một mặt hoặc hai mặt, để đưa bề mặt về đúng thông số kỹ thuật. Mỗi giai đoạn phải loại bỏ những hư hỏng do giai đoạn trước nó để lại và một bước vội vã sẽ xuất hiện dưới dạng vết xước hoặc ứng suất dư ở lần kiểm tra cuối cùng.

Việc xác minh cũng quan trọng như việc xử lý. TTV, cung và độ cong thường được đo bằng chức năng quét quang học không tiếp xúc, trong khi hình dạng bề mặt được xác nhận bằng phép đo giao thoa ở bước sóng xác định. Một số liệu về độ phẳng được trích dẫn không có khẩu độ và bước sóng, chẳng hạn như "λ/10 phẳng" không có điều kiện kèm theo, không thể so sánh với số liệu của nhà cung cấp khác, vì vậy hãy ghi cả hai vào bản vẽ.

Tấm quang học được sử dụng ở đâu

Quang học dựa trên tấm bán dẫn xuất hiện trong nhiều ngành công nghiệp hơn là chỉ sản xuất chất bán dẫn:

Sản xuất chất bán dẫn: chất nền mặt nạ quang, quang học kiểm tra và tấm mang để xử lý các thiết bị mỏng.
Cảm biến quang học trong hệ thống hình ảnh: xử lý ở cấp độ wafer tạo ra các cửa sổ cảm biến, bộ lọc và chất nền vi thấu kính theo lô với chất lượng bề mặt ổn định.
Thiết bị MEMS: tấm thủy tinh được liên kết anốt với cảm biến áp suất dạng silicon, micrô và bộ cộng hưởng.
Hệ thống tia cực tím và hồng ngoại: thạch anh nung chảy phục vụ quang khắc và quang phổ tia cực tím sâu, trong khi sapphire bao phủ các cửa sổ hồng ngoại giữa và cảm biến nhiệt độ cao.
Ô tô và LiDAR: chất nền cứng, ổn định về kích thước cho quang học bộ phát và bộ thu phải chịu được sự dao động rung và nhiệt độ.

Những rủi ro mua sắm phổ biến và cách tránh chúng

Bốn vấn đề gây ra hầu hết các rắc rối trong việc tìm nguồn cung ứng wafer:

Chú thích về độ phẳng không rõ ràng. Mỗi hình phẳng đều cần có khẩu độ, bước sóng và phương pháp đo được ghi trên bản vẽ.
Ghi nhãn sai vật liệu. Xác nhận xem "thạch anh" có nghĩa là vật liệu vô định hình hợp nhất hay chất kết tinh và liệu tấm bán dẫn "thủy tinh" là borosilicate, aluminosilicate hay thành phần khác hay không, bởi vì mỗi loại khác nhau về độ giãn nở và truyền dẫn.
Sự giãn nở nhiệt không khớp trong các cụm liên kết. Tấm wafer thủy tinh liên kết với silicon phải được chọn để có khả năng tương thích giãn nở, nếu không sẽ bị nứt liên kết trong quá trình luân nhiệt.
Thiếu dữ liệu kiểm tra. Nếu không có bản đồ giao thoa kế hoặc giấy chứng nhận phù hợp, các vấn đề về bề mặt chỉ xuất hiện sau quá trình xử lý tiếp theo, khi tấm bán dẫn bị loại bỏ có chi phí cao nhất.

Làm việc với một nhà sản xuất wafer quang học

Người mua đánh giá nhà cung cấp cần có một danh sách kiểm tra ngắn: quy trình xử lý đã được chứng minh của cả ba vật liệu bán dẫn, khả năng kiểm soát độ phẳng đã được chứng minh và hệ thống chất lượng được kiểm tra theo các tiêu chuẩn được công nhận. Công ty TNHH Khoa học và Kỹ thuật Điện quang Thường Châu Haolilai (HLL) đã sản xuất các linh kiện quang học chính xác từ năm 1998 từ một cơ sở rộng 35.000 mét vuông tại khu công nghệ cao quốc gia Thường Châu, sử dụng hơn 300 người và xuất khẩu sang hơn 20 quốc gia. Công ty có các chứng chỉ ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 và IATF 16949, chứng chỉ cuối cùng hỗ trợ hoạt động của chuỗi cung ứng ô tô và vận hành một trung tâm kỹ thuật quang học chính xác cấp tỉnh hỗ trợ các dự án tấm wafer và chất nền tùy chỉnh.

Các yêu cầu về tấm bán dẫn rất khác nhau giữa các ứng dụng bán dẫn, ô tô và laser, vì vậy cách nhanh nhất để định giá chính xác là một bản vẽ có các thông số kỹ thuật được liệt kê ở trên. Nhóm kỹ thuật của HLL xem xét các yêu cầu tùy chỉnh và cung cấp các giải pháp quang học phù hợp, đồng thời các yêu cầu báo giá hoặc câu hỏi kỹ thuật có thể được gửi qua trang liên hệ .

Phiên bản ngắn gọn: chọn vật liệu theo các đặc tính quang học và nhiệt của nó, chỉ định độ phẳng và chất lượng bề mặt bằng các con số và điều kiện đo lường cũng như yêu cầu dữ liệu kiểm tra khi giao hàng. Người mua tuân theo trình tự đó sẽ tránh được các chế độ thất bại tốn kém nhất trong việc tìm nguồn cung ứng wafer và chuyển từ báo giá sang các bộ phận đủ tiêu chuẩn với ít chu kỳ lặp lại hơn.