Tấm quang học thạch anh và thủy tinh: Giải thích những khác biệt chính

Đối với hầu hết các ứng dụng tấm quang học, thạch anh hoạt động tốt hơn thủy tinh tiêu chuẩn. Cung cấp tấm quang học thạch anh Khả năng truyền tia cực tím vượt trội (xuống tới 150 nm), hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn (0,55 x 10-6/K) và độ tinh khiết cao hơn , làm cho chúng trở thành chất nền được ưa thích trong quang khắc bán dẫn, quang học tia cực tím sâu và quang tử chính xác. Tuy nhiên, tấm thủy tinh vẫn là một lựa chọn thiết thực và tiết kiệm chi phí khi độ trong suốt của tia cực tím và độ ổn định nhiệt không phải là những yêu cầu quan trọng.

Tấm quang học là gì

Tấm quang học là các chất nền mỏng, phẳng được chế tạo với dung sai hình học và bề mặt chặt chẽ, được sử dụng làm nền tảng cho các thành phần quang học, mặt nạ quang học, cảm biến và các thiết bị quang tử tích hợp. Chúng khác với các tấm bán dẫn cấp điện tử chủ yếu ở các tính chất quang học của chúng, chẳng hạn như độ truyền qua, tính đồng nhất và tính đồng nhất chiết suất, cũng quan trọng như tính chất cơ học của chúng.

Hai họ vật liệu chiếm ưu thế là thạch anh (silica nung chảy hoặc thạch anh kết tinh) và các dạng thủy tinh khác nhau (borosilicate, aluminosilicate và soda-vôi). Mỗi loại mang một tập hợp các đặc tính quang học, nhiệt và cơ học riêng biệt để xác định sự phù hợp của nó đối với một ứng dụng nhất định.

Sự khác biệt chính về chất liệu giữa thạch anh và thủy tinh

Hiểu được sự khác biệt về cấu trúc giữa thạch anh và thủy tinh sẽ làm rõ lý do tại sao chúng hoạt động khác nhau như các chất nền wafer quang học.

Thành phần và cấu trúc

Silica nung chảy (dạng phổ biến nhất của tấm thạch anh cấp quang học) bao gồm silicon dioxide (SiO2) gần như tinh khiết với mức tạp chất dưới 1 ppm. Thạch anh kết tinh cũng là SiO2 nhưng ở dạng mạng có trật tự. Ngược lại, thủy tinh là hỗn hợp vô định hình của SiO2 với các chất biến tính như oxit boron (B2O3), oxit natri (Na2O) hoặc oxit nhôm (Al2O3), giúp điều chỉnh khả năng xử lý và chi phí nhưng gây ra sự cân bằng về quang học và nhiệt.

Phạm vi truyền quang

Đây được cho là điểm khác biệt quan trọng nhất. Silica nung chảy truyền ánh sáng từ khoảng 150 nm (UV sâu) đến 3.500 nm (hồng ngoại giữa) , bao phủ một cửa sổ quang phổ rộng hơn nhiều so với hầu hết các loại kính. Thủy tinh borosilicat tiêu chuẩn thường truyền từ khoảng 300 nm đến 2.500 nm, cắt đứt trong vùng UV nơi có nhiều ứng dụng quang khắc và huỳnh quang hoạt động. Đối với quy trình quang khắc laser kích thích ArF 193nm hoặc quy trình KrF 248nm, silica nung chảy về cơ bản là bắt buộc.

Hành vi giãn nở nhiệt

Độ ổn định nhiệt trong điều kiện đạp xe quyết định mức độ duy trì độ chính xác về kích thước của tấm bán dẫn. Silica nung chảy có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) xấp xỉ 0,55 x 10-6/K , so với 3,3 x 10-6/K đối với thủy tinh borosilicat và lên tới 9 x 10-6/K đối với thủy tinh soda-vôi. Về độ chính xác của lớp phủ in thạch bản, chênh lệch CTE thậm chí là 1 x 10-6/K trên tấm wafer 300 mm có thể tạo ra sai số vị trí hàng trăm nanomet, điều này không thể chấp nhận được trong chế tạo nút nâng cao.

So sánh song song: Tấm quang học thạch anh và thủy tinh

Bảng dưới đây tóm tắt các thông số hiệu suất chính của silica nung chảy (thạch anh) so với thủy tinh borosilicate, hai vật liệu bán dẫn quang học được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.

Nơi tấm quang học thạch anh Excel

Tấm quang học thạch anh là chất nền được lựa chọn trong các ứng dụng bán dẫn và quang tử đòi hỏi độ chính xác và dải quang phổ không thể bị ảnh hưởng.

Quang khắc và chất nền Photomask

Trong sản xuất chất bán dẫn, mặt nạ quang phải truyền các bước sóng tiếp xúc với độ hấp thụ gần như bằng 0 và duy trì độ ổn định kích thước trong các chu kỳ nhiệt. Silica nung chảy là vật liệu thực tế duy nhất cho quang khắc ngâm 193 nm và các ứng dụng trống mặt nạ và hạt liên quan đến EUV. Mặt nạ quang vuông 6 inch làm bằng silica nung chảy phải đáp ứng các thông số kỹ thuật về độ phẳng dưới 500 nm trên toàn bộ bề mặt, chất nền thủy tinh tiêu chuẩn không thể đạt được một cách đáng tin cậy sau khi tiếp xúc với nhiệt nhiều lần.

Thiết bị đo huỳnh quang và quang phổ

Nhiều chất huỳnh quang sinh học và chất đánh dấu phân tích được kích thích trong phạm vi tia cực tím 200 đến 280 nm. Các tế bào dòng thạch anh, cuvet và chip vi lỏng dựa trên tấm bán dẫn được sử dụng trong quang phổ UV-Vis yêu cầu các chất nền không hấp thụ hoặc tự phát huỳnh quang trong phạm vi này. Thủy tinh Borosilicate cho thấy khả năng tự phát huỳnh quang đáng kể khi bị kích thích dưới 350 nm , tạo ra nhiễu nền trong thiết lập phát hiện phân tử đơn. Thạch anh làm giảm nền này theo một mức độ lớn trong nhiều hệ thống.

Quang học Laser công suất cao

Silica nung chảy có ngưỡng sát thương do tia laser (LIDT) cao hơn đáng kể so với thủy tinh đối với tia UV xung. Đối với thời lượng xung nano giây ở bước sóng 355 nm, giá trị LIDT silica nung chảy có thể đạt từ 20 đến 30 J/cm2, so với mức dưới 5 J/cm2 đối với nhiều loại kính quang học. Điều này làm cho tấm thạch anh trở thành chất nền tiêu chuẩn cho quang học định hình chùm tia, cách tử nhiễu xạ và etalon trong hệ thống laser.

Chế tạo cảm biến và MEMS

Thạch anh tinh thể, khác với silica nung chảy, thể hiện các đặc tính áp điện khiến nó có giá trị đặc biệt trong chế tạo bộ cộng hưởng và thiết bị đo thời gian. Tấm thạch anh cắt AT được sử dụng để tạo ra bộ dao động có độ ổn định tần số trong phạm vi phần tỷ ở nhiệt độ phòng, điều mà không chất nền thủy tinh nào có thể tái tạo do không có phản ứng áp điện.

Tấm quang học thủy tinh là sự lựa chọn tốt hơn ở đâu

Tấm thủy tinh không chỉ đơn giản là những lựa chọn thay thế kém chất lượng. Trong một số danh mục ứng dụng, chúng mang lại những lợi ích thiết thực khiến chúng trở thành lựa chọn hợp lý hơn.

• Quang học tạo ảnh và hiển thị ánh sáng khả kiến: Đối với các ứng dụng hoạt động hoàn toàn trong phạm vi khả kiến 400 đến 700 nm, thủy tinh borosilicat cung cấp khả năng truyền dẫn đầy đủ với chi phí chất nền thấp hơn nhiều. Mảng vi thấu kính dựa trên tấm wafer, chất nền lọc màu và kính bảng nối đa năng cho bảng hiển thị thường sử dụng kính vì lý do này.
• Thiết bị vi lỏng tiêu dùng và thiết bị phòng thí nghiệm trên chip: Khi tiếp xúc với tia cực tím không phải là một phần của quy trình làm việc, chip vi lỏng thủy tinh có giá thấp hơn từ 30 đến 50% so với chip thạch anh tương đương có khả năng kháng hóa chất tương đương và các tùy chọn chức năng bề mặt.
• Kính che cảm biến hình ảnh CMOS: Tấm thủy tinh borosilicate hoặc aluminosilicate mỏng đóng vai trò là chất nền bảo vệ trong các gói cảm biến hình ảnh, trong đó chi phí thấp hơn và khả năng tương thích với các quy trình liên kết và cắt hạt tiêu chuẩn vượt trội hơn lợi thế truyền tia cực tím nhẹ của thạch anh.
• Nguyên mẫu và các thành phần quang học khối lượng thấp: Đối với các hoạt động phát triển trong đó dung sai kích thước ở mức vừa phải và hiệu suất tia cực tím không được kiểm tra, các tấm thủy tinh giảm đáng kể chi phí vật liệu mà không ảnh hưởng đến việc xác nhận bằng chứng khái niệm.

Tiêu chuẩn chất lượng bề mặt và đánh bóng

Cả tấm quang học thạch anh và thủy tinh đều được chỉ định theo tiêu chuẩn chất lượng bề mặt chi phối xếp hạng vết xước, độ nhám bề mặt và độ phẳng. Tuy nhiên, thạch anh và thủy tinh hoạt động khác nhau trong quá trình đánh bóng.

Silica nung chảy, do độ cứng của nó (Độ cứng Knoop khoảng 615 kg/mm2), đòi hỏi chu kỳ đánh bóng dài hơn để đạt được giá trị độ nhám bề mặt dưới angstrom (Ra nhỏ hơn 0,5 nm) cần thiết cho mặt nạ quang học và các ứng dụng etalon chính xác. Kính, mềm hơn, có thể đạt được giá trị độ nhám tương đương nhanh hơn nhưng dễ bị hư hỏng dưới bề mặt hơn trong quá trình mài nếu các thông số mài mòn không được kiểm soát cẩn thận.

Thông số kỹ thuật đào xước từ 10-5 trở lên đều đạt được ở cả hai loại vật liệu trong các điều kiện được kiểm soát, nhưng việc duy trì chất lượng này thông qua các bước thái hạt lựu, làm sạch và phủ nhìn chung đáng tin cậy hơn với thạch anh do độ cứng và độ trơ hóa học cao hơn.

Khả năng tương thích hóa học và xử lý phòng sạch

Trong môi trường phòng sạch bán dẫn, khả năng tương thích của chất nền với hóa chất ướt, quy trình plasma và các bước ủ ở nhiệt độ cao là rất quan trọng.

Silica nung chảy có khả năng chống lại gần như tất cả các axit ngoại trừ axit hydrofluoric và axit photphoric nóng, và nó tồn tại trong quá trình nhiệt lên tới khoảng 1.100 độ C mà không bị biến dạng. Các tấm thủy tinh, tùy thuộc vào thành phần, có thể lọc các ion kiềm trong một số điều kiện hóa học ẩm ướt nhất định, làm ô nhiễm bể xử lý hoặc tạo ra các chất tạp chất không mong muốn gần cấu trúc thiết bị. Ví dụ, thủy tinh soda-vôi giải phóng các ion natri trong dung dịch kiềm nóng, không tương thích với quy trình làm sạch CMOS tiêu chuẩn.

Thủy tinh borosilicate có khả năng kháng hóa chất tốt hơn đáng kể so với thủy tinh soda-vôi và được sử dụng trong một số ứng dụng MEMS và vi lỏng, nhưng nó vẫn không thể sánh được với silica nung chảy trong môi trường tiếp xúc với photon UV ở nhiệt độ cao hoặc sâu.

Cách chọn giữa thạch anh và thủy tinh cho ứng dụng wafer quang học của bạn

Việc lựa chọn chất nền phù hợp phụ thuộc vào đặc tính vật liệu phù hợp với yêu cầu ứng dụng. Các tiêu chí quyết định sau đây giúp thu hẹp sự lựa chọn:

1. Kiểm tra phạm vi bước sóng của bạn đầu tiên. Nếu bất kỳ phần nào trong quy trình của bạn hoạt động dưới 300 nm thì cần có thạch anh (silica nung chảy). Không có chất nền thủy tinh nào cung cấp khả năng truyền tia UV đáng tin cậy trong phạm vi này.
2. Đánh giá nhu cầu chu kỳ nhiệt. Nếu tấm bán dẫn của bạn chịu sự dao động nhiệt độ lớn hơn 50 độ C trong quá trình xử lý hoặc vận hành, thì CTE của silica nung chảy thấp hơn 6 lần sẽ giảm đáng kể các lỗi kích thước do nhiệt gây ra.
3. Đánh giá điều kiện tiếp xúc với hóa chất. Nếu chất nền tiếp xúc với dung dịch kiềm, HF hoặc axit nhiệt độ cao ở nhiệt độ xử lý trên 80 độ C, thạch anh mang lại khả năng chống chịu và độ sạch ion vượt trội.
4. Xem xét ngân sách so với khối lượng. Đối với các ứng dụng mà kính đáp ứng đầy đủ về mặt kỹ thuật, mức tiết kiệm chi phí có thể từ 40 đến 70% cho mỗi tấm bán dẫn. Đối với các cảm biến có bước sóng nhìn thấy dung lượng lớn hoặc các chất nền liên quan đến màn hình, kính là một lựa chọn kỹ thuật thực tế.
5. Yếu tố áp điện nếu cần thiết. Chỉ có thạch anh tinh thể mới cung cấp phản ứng áp điện cần thiết cho bộ cộng hưởng, bộ tạo dao động và một số bộ chuyển đổi MEMS nhất định. Cả silica và thủy tinh nung chảy đều không có đặc tính này.

Kết luận

Tấm quang học thạch anh là chất nền vượt trội về mặt kỹ thuật trong phần lớn các ứng dụng quang học và quang tử đòi hỏi khắt khe , đặc biệt ở những nơi mà độ trong suốt của tia cực tím, độ ổn định kích thước nhiệt, ngưỡng phá hủy tia laser cao hoặc độ tinh khiết hóa học là không thể thương lượng. Tấm quang học thủy tinh vẫn là sự lựa chọn hợp lý trong các ứng dụng có bước sóng khả kiến, nhạy cảm với chi phí hoặc có độ chính xác thấp hơn trong đó các đặc tính hiệu suất của chúng hoàn toàn đầy đủ. Quyết định không phải là vật liệu nào tốt hơn trên toàn cầu, mà là thuộc tính nào phù hợp với các yêu cầu cụ thể của ứng dụng hiện có.