Kvartsi vs lasi optiset kiekot: tärkeimmät erot selitetty

Useimmissa optisissa kiekkosovelluksissa kvartsi toimii paremmin kuin tavallinen lasi. Kvartsioptiset kiekot tarjous erinomainen UV-läpäisy (150 nm asti), pienempi lämpölaajenemiskerroin (0,55 x 10-6/K) ja korkeampi puhtaus , mikä tekee niistä ensisijaisen substraatin puolijohdelitografiassa, syvä-UV-optiikassa ja tarkkuusfotoniikassa. Lasikiekot ovat kuitenkin edelleen kustannustehokas ja käytännöllinen valinta, jossa UV-läpinäkyvyys ja lämpöstabiilisuus eivät ole kriittisiä vaatimuksia.

Mitä ovat optiset kiekot

Optiset kiekot ovat ohuita, litteitä substraatteja, jotka on valmistettu tiukoille geometrisille ja pintatoleransseille ja joita käytetään perustana optisille komponenteille, valomaskeille, antureille ja integroiduille fotonisille laitteille. Ne eroavat elektroniikkalaatuisista puolijohdekiekoista ensisijaisesti siinä, että niiden optiset ominaisuudet, kuten läpäisy, homogeenisuus ja taitekertoimen tasaisuus, ovat yhtä tärkeitä kuin mekaaniset ominaisuudet.

Kaksi hallitsevaa materiaaliperhettä ovat kvartsi (sulatettu piidioksidi tai kiteinen kvartsi) ja erilaiset lasimuodot (borosilikaatti, alumiinisilikaatti ja natronkalkki). Jokaisella on omat optiset, termiset ja mekaaniset ominaisuudet, jotka määräävät sen soveltuvuuden tiettyyn sovellukseen.

Tärkeimmät materiaalierot kvartsin ja lasin välillä

Kvartsin ja lasin rakenteellisten erojen ymmärtäminen selventää, miksi ne toimivat eri tavalla optisina kiekkosubstraatteina.

Koostumus ja rakenne

Sulattu piidioksidi (yleisin optisen luokan kvartsikiekon muoto) koostuu lähes puhtaasta piidioksidista (SiO2), jonka epäpuhtauspitoisuus on alle 1 ppm. Kiteinen kvartsi on myös SiO2, mutta järjestetyssä hilassa. Lasi on sitä vastoin SiO2:n amorfinen seos modifioivien aineiden, kuten boorioksidin (B2O3), natriumoksidin (Na2O) tai alumiinioksidin (Al2O3) kanssa, jotka säätävät prosessoitavuutta ja kustannuksia, mutta tuovat optisia ja termisiä kompromisseja.

Optinen lähetysalue

Tämä on epäilemättä tärkein eroava tekijä. Sulattu piidioksidi siirtää valoa noin 150 nm:stä (syvä UV) 3 500 nm:iin (keski-infrapuna) , joka kattaa paljon laajemman spektriikkunan kuin useimmat lasityypit. Tavallinen borosilikaattilasi läpäisee tyypillisesti noin 300 nm:stä 2500 nm:iin, mikä katkaisee UV-alueen, jossa monet fotolitografia- ja fluoresenssisovellukset toimivat. 193 nm:n ArF-eksimeerilaserlitografiassa tai 248 nm:n KrF-prosesseissa sulatettu piidioksidi on olennaisesti pakollinen.

Lämpölaajenemiskäyttäytyminen

Lämpöstabiilisuus pyöräilyolosuhteissa määrittää, kuinka hyvin kiekko säilyttää mittatarkkuuden. Sulatussa piidioksidissa on a lämpölaajenemiskerroin (CTE) noin 0,55 x 10-6/K verrattuna 3,3 x 10-6/K borosilikaattilasin ja jopa 9 x 10-6/K soodakalkkilasin osalta. Litografisen peittokuvan tarkkuudessa jopa 1 x 10-6/K CTE-ero 300 mm:n kiekossa voi aiheuttaa satojen nanometrien sijaintivirheitä, mikä ei ole hyväksyttävää edistyneessä solmuvalmistuksessa.

Vierekkäinen vertailu: kvartsi vs lasi optiset kiekot

Alla olevassa taulukossa on yhteenveto sulatetun piidioksidin (kvartsi) ensisijaiset suorituskykyparametrit verrattuna boorisilikaattilasiin, jotka ovat käytännössä kaksi eniten käytettyä optista kiekkomateriaalia.

Missä Quartz Optical Wafers Excel

Kvartsioptiset kiekot ovat valintasubstraatti vaativissa fotoni- ja puolijohdesovelluksissa, joissa tarkkuudesta ja spektrialueesta ei voida tinkiä.

Fotolitografia ja Photomask-alustat

Puolijohteiden valmistuksessa valomaskien on lähetettävä valotusaallonpituuksia lähes nolla-absorptiolla ja säilytettävä mittojen vakaus lämpösyklien aikana. Sulatettu piidioksidi on ainoa käytännöllinen materiaali 193 nm:n immersiolitografiaan ja EUV:hen liittyviin pellikeli- ja maski-aihiosovelluksiin. Sulatusta piidioksidista valmistetun 6 tuuman neliömäisen valonaamarin aihion on täytettävä tasaisuusvaatimukset alle 500 nm:ssä koko pinnalla. Standardilasialustaa ei voida luotettavasti saavuttaa toistuvan lämpöaltistuksen jälkeen.

Fluoresenssi- ja spektroskopialaitteet

Monet biologiset fluoroforit ja analyyttiset markkerit virittyvät 200-280 nm UV-alueella. UV-Vis-spektroskopiassa käytettävät kvartsivirtauskennot, kyvetit ja kiekkopohjaiset mikrofluidisirut vaativat substraatteja, jotka eivät absorboi tai autofluoresoi tällä alueella. Borosilikaattilasi osoittaa merkittävää autofluoresenssia viritettynä alle 350 nm:ssä , joka tuo taustakohinaa yhden molekyylin havaitsemisasetuksiin. Kvartsi vähentää tätä taustaa suuruusluokkaa monissa järjestelmissä.

Tehokas laseroptiikka

Sulatetun piidioksidin laserin aiheuttaman vaurion kynnys (LIDT) on huomattavasti korkeampi kuin pulssi-UV-laserien lasilla. Nanosekuntien pulssin kestoilla 355 nm:ssä sulatetun piidioksidin LIDT-arvot voivat saavuttaa 20–30 J/cm2, kun useiden optisten lasityyppien arvo on alle 5 J/cm2. Tämä tekee kvartsikiekoista vakioalustan sädettä muovaavalle optiikalle, diffraktiohileille ja etaloneille laserjärjestelmissä.

MEMS- ja anturien valmistus

Kiteisellä kvartsilla, joka eroaa sulatetusta piidioksidista, on pietsosähköisiä ominaisuuksia, jotka tekevät siitä ainutlaatuisen arvokkaan resonaattorien ja ajastuslaitteiden valmistuksessa. AT-leikattuja kvartsikiekkoja käytetään tuottamaan oskillaattorit, joiden taajuusstabiilisuus on miljardeja osia huoneenlämpötilassa ja joita mikään lasisubstraatti ei voi replikoida pietsosähköisen vasteen puuttumisen vuoksi.

Missä optiset lasikiekot ovat parempi valinta

Lasikiekot eivät ole vain huonompia vaihtoehtoja. Useissa sovelluskategorioissa ne tarjoavat käytännön etuja, jotka tekevät niistä järkevämmän valinnan.

• Näkyvän valon näyttö ja kuvantamisoptiikka: Täysin 400–700 nm:n näkyvällä alueella toimivissa sovelluksissa borosilikaattilasi tarjoaa riittävän läpäisyn paljon pienemmillä substraattikustannuksilla. Kiekkopohjaiset mikrolinssiryhmät, värisuodatinsubstraatit ja näyttöpaneelien taustalevy käyttävät lasia tästä syystä.
• Kuluttajille tarkoitettu mikrofluidiikka ja lab-on-chip -laitteet: Kun UV-altistus ei ole osa työnkulkua, lasin mikrofluidiset sirut maksavat 30–50 prosenttia vähemmän kuin vastaavat kvartsilastut, joilla on vertailukelpoinen kemiallinen kestävyys ja pinnan funktionalisointimahdollisuudet.
• CMOS-kuvakennon kansilasi: Ohuet borosilikaatti- tai alumiinisilikaattilasikiekot toimivat suojapeitesubstraatteina kuvasensoripakkauksissa, joissa niiden alhaisemmat kustannukset ja yhteensopivuus tavallisten kuutio- ja liimausprosessien kanssa ovat suurempia kuin kvartsin vähäinen UV-läpäisyetu.
• Prototyyppi ja pienimääräiset optiset komponentit: Kehitysajoissa, joissa mittatoleranssit ovat kohtalaisia ja UV-suorituskykyä ei testata, lasikiekot alentavat materiaalikustannuksia merkittävästi tinkimättä konseptivahvistuksesta.

Pinnan laatu ja kiillotusstandardit

Sekä kvartsi- että lasilevyt on määritelty pinnanlaatustandardien mukaisesti, jotka säätelevät naarmuuntumisluokituksia, pinnan karheutta ja tasaisuutta. Kvartsi ja lasi käyttäytyvät kuitenkin eri tavalla kiillotuksen aikana.

Sulattu piidioksidi vaatii kovuutensa vuoksi (Knoop-kovuus noin 615 kg/mm2) pidempiä kiillotusjaksoja saavuttaakseen pintakarheusarvot (Ra alle 0,5 nm), joita tarvitaan fotomaski- ja tarkkuusetalon-sovelluksissa. Pehmeämpi lasi voi saavuttaa vastaavat karheusarvot nopeammin, mutta se on alttiimpi pinnan vaurioille läppäyksen aikana, jos hankausparametreja ei valvota huolellisesti.

Scratch-dig-spesifikaatiot 10-5 tai paremmat ovat saavutettavissa molemmissa materiaaleissa valvotuissa olosuhteissa, mutta tämän laadun säilyttäminen kuutioimalla, puhdistamalla ja päällystämällä on yleensä luotettavampaa kvartsilla sen suuremman kovuuden ja kemiallisen inerttisyyden vuoksi.

Kemiallinen yhteensopivuus ja puhdastilakäsittely

Puolijohteiden puhdastilaympäristöissä substraattien yhteensopivuus märkäkemikaalien, plasmaprosessien ja korkean lämpötilan hehkutusvaiheiden kanssa on kriittistä.

Sulattu piidioksidi kestää lähes kaikkia happoja paitsi fluorivetyhappoa ja kuumaa fosforihappoa, ja se kestää lämpöprosesseja noin 1100 asteeseen asti ilman muodonmuutoksia. Lasikiekot voivat koostumuksesta riippuen liuottaa alkali-ioneja tietyissä märissä kemiallisissa olosuhteissa, saastuttaen prosessikylpyjä tai tuoda ei-toivottuja seostusaineita lähelle laitteen rakenteita. Esimerkiksi natronkalkkilasi vapauttaa natriumioneja kuumissa alkalisissa liuoksissa, mikä ei ole yhteensopiva tavallisten CMOS-puhdistusprosessien kanssa.

Borosilikaattilasi tarjoaa huomattavasti paremman kemiallisen kestävyyden kuin natriumkalkkilasi, ja sitä käytetään joissakin MEMS- ja mikrofluidiikkasovelluksissa, mutta se ei silti pysty vastaamaan sulatettua piidioksidia korkean lämpötilan tai syvälle UV-fotonialtistusympäristöissä.

Kuinka valita kvartsin ja lasin välillä optiseen kiekkoon

Oikean alustan valinta riippuu materiaalin ominaisuuksien sovittamisesta sovellutusvaatimuksiin. Seuraavat valintakriteerit auttavat rajaamaan valintaa:

1. Tarkista ensin aallonpituusalueesi. Jos jokin prosessisi osa toimii alle 300 nm:ssä, tarvitaan kvartsia (sulatettua piidioksidia). Mikään lasisubstraatti ei takaa luotettavaa UV-läpäisyä tällä alueella.
2. Arvioi lämpöpyöräilytarpeet. Jos kiekkosi lämpötilanvaihtelut ovat yli 50 astetta C:n käsittelyn tai käytön aikana, sulatetun piidioksidin 6x pienempi CTE vähentää merkittävästi lämmön aiheuttamia mittavirheitä.
3. Arvioi kemikaalien altistumisen olosuhteet. Jos alusta joutuu kosketuksiin emäksisten liuosten, HF:n tai korkean lämpötilan happojen kanssa yli 80 asteen prosessilämpötiloissa, kvartsi tarjoaa erinomaisen kestävyyden ja ionipuhtauden.
4. Harkitse budjettia volyymiin nähden. Sovelluksissa, joissa lasi on teknisesti riittävä, kustannussäästöt voivat olla 40-70 prosenttia kiekkoa kohden. Suuren volyymin näkyvän aallonpituuden antureille tai näyttöön liittyville alustoille lasi on käytännöllinen suunnitteluvaihtoehto.
5. Ota pietsosähkö huomioon tarvittaessa. Vain kiteinen kvartsi tarjoaa pietsosähköisen vasteen, joka vaaditaan resonaattoreilta, oskillaattorilta ja tietyiltä MEMS-muuntimista. Sulatettu piidioksidi tai lasi eivät tarjoa tätä ominaisuutta.

Johtopäätös

Kvartsioptiset kiekot ovat teknisesti ylivoimainen alusta useimmissa vaativissa optisissa ja fotonisissa sovelluksissa , erityisesti silloin, kun UV-läpinäkyvyys, lämpömittojen stabiilisuus, korkeat laservauriokynnykset tai kemiallinen puhtaus ovat kiistattomia. Lasiset optiset kiekot ovat edelleen hyvin perusteltu valinta näkyvän aallonpituuden, kustannusherkissä tai pienemmän tarkkuuden sovelluksissa, joissa niiden suorituskykyominaisuudet ovat täysin riittävät. Päätös ei ole siinä, mikä materiaali on yleisesti parempi, vaan mitkä ominaisuudet vastaavat kulloisenkin sovelluksen erityisvaatimuksia.