Tấm quang học: Hướng dẫn lựa chọn thủy tinh, thạch anh và sapphire cho người mua

Tấm wafer quang học là một tấm kính mỏng, có các mặt song song, thạch anh nung chảy hoặc sapphire đã được mài và đánh bóng cho đến khi cả hai mặt đều đáp ứng được độ dày, độ phẳng và dung sai chất lượng bề mặt ở mức micron. Nó nằm ở phía trước của cấu trúc dành cho cảm biến hình ảnh, ngăn xếp bộ lọc, ống dẫn sóng và mảng quang cấp tấm bán dẫn, trong đó một vài micron với tổng độ dày thay đổi có thể dịch chuyển tiêu điểm, làm biến dạng mặt sóng hoặc đẩy lớp phủ vượt quá thông số kỹ thuật.

Hầu hết các dự án đều đạt đến danh mục này với ba câu hỏi kèm theo: vật liệu nào, dung sai nào và nhà cung cấp nào có thể giữ những dung sai đó trong suốt quá trình sản xuất thay vì trên một mẫu đã được đánh bóng. Các phần dưới đây tuân theo thứ tự đó.

Chính xác những gì được tính là một tấm wafer quang học

Theo thuật ngữ mua hàng, tấm bán dẫn quang học là một chất nền quang học trần hoặc được phủ, được cung cấp ở dạng hình tròn, hình vuông hoặc đường viền tùy chỉnh, với các yêu cầu về kích thước và bề mặt được ghi trên bản vẽ thay vì được ngụ ý bằng tên vật liệu.

Sự khác biệt đó làm thay đổi các trích dẫn. Cửa sổ quang thường dày hơn, thường được gắn vào khung và được bán dưới dạng bộ phận hoàn thiện. Một tấm wafer mỏng hơn, được xử lý trong các băng cassette hoặc gói gel và thường xuyên di chuyển qua các bước tiếp theo như phủ, liên kết, thái hạt lựu hoặc in thạch bản. Các nhà cung cấp gia công cửa sổ tốt không tự động giữ dung sai của tấm bán dẫn vì các bộ phận mỏng sẽ bị lệch dưới áp lực đánh bóng và mất độ phẳng nhanh chóng.

• Tấm wafer tròn. Đường kính 25 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm và 200 mm, phù hợp với các định dạng sóng mang được sử dụng trong các dây chuyền xử lý cảm biến và quang tử.
• Tấm hình vuông và hình chữ nhật. Lên đến khoảng 300 mm ở một bên, phổ biến trong công việc đúc quang học ở cấp độ màn hình, ánh sáng và tấm bán dẫn.
• Đường viền tùy chỉnh. Các khe, lỗ, các cạnh bậc và các đường viền không tròn cung cấp đường dẫn cơ học hoặc đường dẫn chất lỏng bên trong một cụm lắp ráp.

So sánh các tấm quang học thủy tinh, thạch anh và sapphire

Chọn vật liệu theo dải bước sóng trước, sau đó theo môi trường nhiệt và cơ học, sau đó theo giá thành.

Sapphire kiếm được giá trong môi trường hồng ngoại và mài mòn, không phải trong dải nhìn thấy được. Nếu một hệ thống hoạt động ở bước sóng từ 400 nm đến 1000 nm, không bao giờ thấy chu kỳ nhiệt trên 150 C và không tiếp xúc với hóa chất phòng sạch mạnh, thủy tinh hoặc thạch anh thường thực hiện công việc quang học tương tự với chi phí thấp hơn nhiều. Sapphire trở thành lựa chọn rẻ hơn khi cửa sổ bị trầy xước hoặc bị khắc khiến dây chuyền sản xuất ngừng hoạt động.

Tấm sapphire tùy chỉnh cho mục đích sử dụng quang học và chất nền khắc nghiệt Trong trường hợp tiếp xúc với tia hồng ngoại, mài mòn hoặc nhiệt độ cao khiến thủy tinh hoặc thạch anh không đủ khả năng, các tấm sapphire tùy chỉnh này mang lại độ cứng, khả năng kháng hóa chất và cách điện. Xem sản phẩm →

Thông số kỹ thuật để khóa trước khi đặt hàng

Năm con số quyết định liệu một tấm bán dẫn có hoạt động trong hệ thống của bạn hay không: độ dày, dung sai độ dày, tổng biến thiên độ dày, độ phẳng và độ nhám bề mặt, với phần cào ở phía sau.

1. Độ dày và dung sai. Công việc thương mại chạy ở /- 0,05 mm, độ chính xác ở /- 0,025 mm và các bộ phận nhỏ có thể được giữ ở /- 0,01 mm.
2. Tổng độ dày thay đổi. Khoảng cách giữa điểm dày nhất và mỏng nhất. Nó gây ra lỗi mặt sóng, tính đồng nhất của lớp phủ và sự dịch chuyển tiêu điểm trên một mảng cấp độ wafer.
3. Độ phẳng. Được báo cáo ở dạng sóng ở bước sóng 633 nm, trong đó một phần tư sóng tương đương với độ lệch khoảng 158 nm. Luôn nêu rõ khẩu độ đo vì giá trị chiếm trên 80 phần trăm đường kính là yêu cầu yếu hơn so với số khẩu độ đầy đủ.
4. Độ nhám bề mặt. Ra đặt ngưỡng phân tán và sát thương laser. Vùng đánh bóng tiêu chuẩn gần 0,5 nm; bề mặt siêu bóng đạt tới 0,2 nm trở xuống với chu kỳ dài hơn.
5. Đào-đào. Các chú thích như 60/40, 40/20 hoặc 10/5 xác định các vết xước và vết rỗ được phép. Siết chặt từ 40/20 đến 10/5 thường tốn nhiều chi phí hơn so với việc siết chặt dung sai độ dày.
6. Tính song song, cạnh và lớp phủ. Các vấn đề về nêm đối với etalon và bộ tách chùm, các mảnh vụn ở cạnh rất quan trọng đối với việc xử lý băng cassette và các vấn đề về độ bám dính của lớp phủ đối với bất kỳ thứ gì được làm sạch nhiều lần.

Tấm quang học được sản xuất như thế nào

Mỗi tấm wafer đều di chuyển qua quá trình chuẩn bị vật liệu, tạo hình, mài, đánh bóng, làm sạch và đo lường, và mỗi bước chỉ có thể loại bỏ những gì bước trước đó để lại với tốc độ có thể dự đoán được.

1. Chuẩn bị nguyên liệu. Các tấm thủy tinh, thỏi thạch anh hoặc tinh thể sapphire được cắt hoặc lõi thành các phôi thô. Trạng thái ủ và ứng suất bên trong được xác nhận trước khi gia công, vì ứng suất được giải phóng sau đó sẽ hiển thị dưới dạng cánh cung.
2. Định hình. Khoan lõi, tạo đường viền CNC hoặc cắt laser tạo ra đường viền và để lại phôi để mài. Các lỗ và khe được cắt ở giai đoạn này.
3. Mài và mài mịn. Loại bỏ hư hỏng do cưa và thiết lập sự song song. Việc loại bỏ phôi mỗi mặt phụ thuộc vào kích thước bộ phận và có thể vượt quá 100 micron.
4. Đánh bóng. Đánh bóng bằng sân hoặc miếng đệm, một mặt hoặc hai mặt, xác định độ phẳng và độ nhám. Một mẻ có thể chạy hàng giờ và thiết kế vật cố định thường quan trọng hơn bùn.
5. Làm sạch. Các giai đoạn siêu âm và tẩy rửa, rửa khử ion và sấy khô có kiểm soát sẽ ngăn chặn hình mờ và cặn mà sau này trở thành khuyết tật của lớp phủ.
6. Đo lường. Giao thoa kế cho độ phẳng, các dụng cụ sử dụng ánh sáng trắng hoặc bút cảm ứng để đo độ nhám, phép đo quang phổ để truyền và kính hiển vi cho các chip đào và cắt cạnh.
7. Bao bì. Việc đóng bao phòng sạch, chất mang wafer và bảo vệ cạnh quyết định liệu một wafer tốt có ở trạng thái có thể sử dụng được hay không.

Tấm thạch anh có độ chính xác cao tùy chỉnh cho các ứng dụng quang học và bán dẫn Các tấm thạch anh này kết hợp độ giãn nở nhiệt thấp và khả năng truyền cao cho PLC, MEMS, quang tử và chất bán dẫn hoạt động trong các lĩnh vực kiểm soát việc mài, đánh bóng và độ phẳng. Xem sản phẩm →

Tấm quang học được sử dụng ở đâu

Tấm quang học xuất hiện ở bất cứ nơi nào thiết bị cần lớp đế phẳng, ổn định, trong suốt: cảm biến hình ảnh, đường dẫn LiDAR, công cụ xử lý bán dẫn, cửa sổ hồng ngoại và hệ thống hiển thị hoặc chiếu sáng.

Tấm thủy tinh có phạm vi ứng dụng rộng nhất, từ mô-đun máy ảnh và cảm biến cảm ứng đến bộ khuếch tán ánh sáng và chất mang vi lỏng, vì vật liệu này không tốn kém và quy trình đánh bóng được thiết lập tốt.

Tấm thủy tinh tùy chỉnh cho quang học, MEMS và bao bì bán dẫn Đối với các mô-đun máy ảnh, cảm biến và mảng quang học có hoa văn, các tấm kính tùy chỉnh này mang lại độ trong suốt, độ huỳnh quang thấp và chất nền ổn định ở kích thước 4 đến 12 inch. Xem sản phẩm →

Các cân nhắc về nguồn cung ứng, chất lượng và giao hàng

Đánh giá chất lượng quy trình thay vì tài liệu quảng cáo: yêu cầu dữ liệu về khả năng về vật liệu, định dạng và sự kết hợp dung sai chính xác mà bạn đang mua và coi các chứng chỉ là cơ sở thay vì bằng chứng.

Trên tài liệu, ISO 9001 và ISO 14001 là tiêu chuẩn cơ bản thông thường và IATF 16949 trở nên phù hợp khi wafer cung cấp chương trình ô tô. Người mua thiết bị y tế và chất bán dẫn thường thêm tuyên bố RoHS và REACH cùng với tuyên bố về độ sạch. Thời gian thực hiện cũng tuân theo dung sai: các tấm wafer tròn tiêu chuẩn bằng thủy tinh và thạch anh thường được vận chuyển trong hai đến ba tuần, trong khi các đường viền tùy chỉnh có khe hoặc lỗ và quá trình phê duyệt bài viết đầu tiên thường kéo dài từ năm đến tám tuần.

Nếu bản vẽ vẫn mở, gửi vật liệu, định dạng và dung sai mục tiêu cho nhóm kỹ thuật và yêu cầu báo cáo năng lực đối với từng dây chuyền trước khi đặt hàng.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt giữa tấm wafer quang và cửa sổ quang là gì?

Một tấm wafer mỏng, thường dưới 3 mm, được xử lý trong các băng cassette và được sử dụng làm lớp nền để xử lý thiết bị tiếp theo. Cửa sổ dày hơn, thường được gắn trong khung hoặc vỏ và được bán dưới dạng bộ phận bảo vệ hoặc truyền dẫn hoàn thiện. Cả hai đều có thể sử dụng cùng một vật liệu và bề mặt hoàn thiện tương tự nhau.

Kích thước và độ dày nào là thực tế?

Các tấm wafer tròn có đường kính từ 25 mm đến 200 mm và các tấm hình vuông có cạnh khoảng 300 mm. Độ dày phụ thuộc vào vật liệu: thủy tinh và sapphire thường nằm trong khoảng từ 0,3 mm đến 3 mm, trong khi thạch anh có thể dày hơn khi sử dụng trong kết cấu. Dưới 0,3 mm, cung, sứt mép và xử lý trở thành những yếu tố hạn chế hơn là đánh bóng.

Làm cách nào để chọn giữa thủy tinh, thạch anh và sapphire?

Bắt đầu với dải bước sóng, sau đó thêm môi trường nhiệt và cơ học, sau đó áp dụng chi phí. Thủy tinh bao phủ phạm vi nhìn thấy một cách kinh tế, thạch anh nung chảy mở rộng đến vùng cực tím và giữ hình dạng thông qua chu trình nhiệt, và sapphire bao phủ vùng hồng ngoại cộng với các cài đặt mài mòn hoặc tích cực hóa học.

Nhà cung cấp có thể giữ độ phẳng nào trong sản xuất số lượng lớn?

Trên các bộ phận từ 50 mm đến 100 mm bằng thủy tinh hoặc thạch anh, một phần tư sóng ở bước sóng 633 nm là mục tiêu thường lệ đối với người đánh bóng có kinh nghiệm và có thể đạt được sóng 1/10 trên các bộ phận đã chọn với chi phí cho chu kỳ dài hơn và năng suất thấp hơn. Yêu cầu phân phối theo lô thay vì yêu cầu kết quả đơn lẻ tốt nhất.