Технология стеклянных пластин: применение, производство и основные свойства

Что такое стеклянные вафли и почему они важны

Стеклянные вафли прецизионные тонкие подложки из специальных стеклянных материалов , обычно толщиной от 100 микрометров до нескольких миллиметров. Эти подложки служат основой в производстве полупроводников, микроэлектромеханических системах (МЭМС), микрофлюидных устройствах и передовых упаковочных приложениях. В отличие от традиционных кремниевых пластин, стеклянные пластины обладают уникальной оптической прозрачностью, превосходными электроизоляционными свойствами и исключительной стабильностью размеров при различных температурах.

Глобальный стеклянная пластина Рынок пережил значительный рост: отраслевые отчеты указывают на совокупный годовой темп роста (CAGR) примерно 8-10% в период с 2020 по 2025 год . Это расширение обусловлено растущим спросом на интерпозеры в корпусах 2,5D и 3D интегральных схем, где стеклянные пластины обеспечивают решающие преимущества в целостности сигнала и управлении температурой.

Процессы производства стеклянных пластин

Производство стеклянных пластин включает в себя несколько сложных производственных технологий, каждая из которых адаптирована для достижения определенных допусков по размерам и требований к качеству поверхности.

Процесс фьюжн-рисования

Метод вытяжки плавлением, впервые разработанный такими компаниями, как Corning, позволяет производить ультраплоские стеклянные листы с безупречной поверхностью путем протекания расплавленного стекла по формовочному клину. Этот процесс устраняет необходимость полировки обеих поверхностей, обеспечивая допуск на плоскостность менее 10 микрометров на пластинах диаметром 300 мм. Полученный материал имеет среднеквадратичное значение шероховатости поверхности менее 1 нанометра, что делает его идеальным для применения в фотолитографии.

Флоат-стекло и полировка

Традиционные процессы флоат-стекла с последующей химико-механической полировкой (ХМП) представляют собой альтернативный путь производства. Хотя этот подход требует дополнительных этапов обработки, он обеспечивает большую гибкость в составе стекла и позволяет добиться однородности толщины стекла. ±5 микрометров на широкоформатных подложках .

Лазерная резка и обработка кромок

После формирования стеклянные листы подвергаются точной лазерной резке или гравировке для создания отдельных пластин. Методы обработки кромок обеспечивают отсутствие сколов и контролируемые углы скоса, что крайне важно для автоматизированной обработки в оборудовании для производства полупроводников. Современные системы обеспечивают характеристики качества кромки с плотностью дефектов менее 0,1 дефекта на погонный сантиметр.

Свойства и состав материала

Стеклянные вафли engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Критические параметры производительности

• Коэффициент теплового расширения (КТР): Соответствие КТР кремнию (2,6 ppm/°C) сводит к минимуму напряжение во время циклов термической обработки, предотвращая коробление и расслоение.
• Электрические свойства: Объемное сопротивление, превышающее 10^14 Ом·см, обеспечивает отличную изоляцию для маршрутизации высокочастотных сигналов.
• Оптическая передача: Прозрачность более 90 % в видимом диапазоне волн обеспечивает выравнивание по подложке и обратной стороне.
• Химическая стойкость: Устойчивость к кислотам, основаниям и органическим растворителям обеспечивает совместимость с химическими процессами обработки полупроводников.

Ключевые приложения в современной электронике

Расширенная упаковка и промежуточные устройства

Стеклянные интерпозеры появились как революционная технология для высокопроизводительных вычислительных приложений . Intel, TSMC и другие крупные производители вкладывают значительные средства в технологию стеклянных подложек для интеграции чиплетов. Стекло позволяет создавать сквозные стеклянные переходные отверстия (TGV) диаметром всего 10 микрометров и шагом до 40 микрометров, достигая плотность межсоединений в 10 раз выше, чем у органических подложек .

В процессорах центров обработки данных стеклянные интерпозеры демонстрируют снижение потерь сигнала примерно на 30-40% по сравнению с традиционными материалами на частотах выше 50 ГГц. Это улучшение напрямую приводит к повышению энергоэффективности и увеличению пропускной способности для ускорителей искусственного интеллекта и интерфейсов памяти с высокой пропускной способностью (HBM).

МЭМС и сенсорные устройства

Стеклянные пластины являются идеальными подложками для микрофлюидных лабораторных устройств, датчиков давления и оптических МЭМС. Биосовместимость, химическая инертность и оптическая прозрачность материала делают его особенно ценным для применения в медицинской диагностике. Компании, производящие чипы для анализа крови, обычно указывают пластины из боросиликатного стекла с допуски на плоскостность поверхности менее 2 микрометров, общая разница толщины (TTV) .

Дисплейные технологии

В матрицах тонкопленочных транзисторов (TFT) для жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) и OLED-панелей используются крупноформатные стеклянные подложки, а заводы поколения 10.5 обрабатывают стеклянные листы размером 2940 мм × 3370 мм. Отрасль добилась выдающихся экономических результатов: стоимость подложек снизилась до менее 0,50 долларов США за квадратный фут для товарных дисплеев при сохранении строгих требований к поверхностным дефектам и контролю размеров.

Преимущества перед кремниевыми пластинами

Хотя кремний остается доминирующей полупроводниковой подложкой, стеклянные пластины предлагают неоспоримые преимущества для конкретных применений:

1. Меньшая потеря сигнала: Значения тангенса диэлектрических потерь 0,003–0,005 обеспечивают превосходные радиочастотные характеристики (РЧ) в цепях связи миллиметрового диапазона.
2. Большие размеры подложки: Технология производства стекла легко масштабируется до прямоугольных форматов 510×515 мм, что превышает практические ограничения круглых кремниевых пластин.
3. Экономическая эффективность: Для промежуточных устройств стеклянные подложки могут стоить на 40-60% дешевле, чем эквивалентные кремниевые носители, обеспечивая при этом сопоставимые или лучшие электрические характеристики.
4. Гибкость дизайна: TGV в стекле могут быть выполнены с более высоким соотношением сторон (соотношение глубины к диаметру более 10:1) по сравнению со сквозными кремниевыми переходами, что позволяет создавать более компактные 3D-архитектуры.
5. Оптический доступ: Передача инфракрасного и видимого света позволяет выполнять выравнивание, проверку и обработку обратной стороны, что невозможно при использовании непрозрачного кремния.

Проблемы обработки и решения

Через пластовые технологии

Создание сквозных переходных отверстий представляет собой уникальную техническую задачу. В современном производстве доминируют три основных метода:

• Лазерное сверление: Сверхбыстрые пикосекундные или фемтосекундные лазеры удаляют материал с минимальными зонами термического воздействия, достигая скорости формирования 100-500 отверстий в секунду диаметром от 10-100 микрометров.
• Мокрое травление: Химический состав на основе плавиковой кислоты обеспечивает превосходную гладкость боковых стенок для отверстий большего размера, при этом скорость травления контролируется с точностью до ±5% для каждой партии пластин.
• Сухое травление: Реактивное ионное травление на основе плазмы обеспечивает анизотропные профили для применений, требующих вертикальных боковых стенок, хотя производительность остается ниже, чем у лазерных методов.

Металлизация и склеивание

Нанесение проводящих слоев на стекло требует тщательной оптимизации процесса. Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) адгезионных слоев титана или хрома с последующим осаждением затравки меди позволяет проводить последующую гальванизацию для заполнения TGV. Передовые возможности достигают через коэффициент заполнения более 99,5% с электрическим сопротивлением ниже 50 миллиом на переходное отверстие .

Технологии соединения пластин, адаптированные для стекла, включают анодное соединение, соединение плавлением и клеевое соединение, каждая из которых соответствует различным требованиям к тепловому балансу и герметичности. Анодное соединение боросиликатного стекла с кремнием обеспечивает прочность соединения, превышающую 20 МПа, с плотностью межфазных пустот менее 0,01%.

Перспективы отрасли и будущие разработки

Индустрия стеклянных пластин переживает переломный момент, обусловленный несколькими сходящимися тенденциями. Объявление Intel о стеклянных подложках для современной упаковки, нацеленное на внедрение в Сроки появления процессоров следующего поколения — 2030 год , подтверждает годы инвестиций в исследования и разработки.

Аналитики рынка прогнозируют, что к 2028 году только сегмент современной упаковки будет потреблять стеклянные пластины на сумму более 2 миллиардов долларов в год. Этот рост обусловлен ненасытным спросом на вычислительную мощность в области искусственного интеллекта, автономных транспортных средств и приложений периферийных вычислений, где электрические преимущества стекла становятся все более важными.

Новые приложения

• Интеграция фотоники: Стеклянные пластины со встроенными оптическими волноводами позволяют совместно размещать фотонные и электронные схемы для оптических межсоединений, работающих со скоростью передачи данных терабит в секунду.
• Квантовые вычисления: Низкие диэлектрические потери и термическая стабильность специальных стекол делают их привлекательными подложками для сверхпроводящих массивов кубитов.
• Гибкая электроника: Ультратонкие стеклянные пластины (толщиной до 30 микрометров) обеспечивают механически гибкую, но химически прочную подложку для гибких дисплеев и носимых датчиков.

Усилия по стандартизации, предпринимаемые такими организациями, как SEMI, устанавливают спецификации размеров стеклянных пластин, допусков на плоскостность и свойств материалов. Эти стандарты ускорят внедрение за счет снижения технических рисков и создания цепочек поставок из нескольких источников для крупносерийного производства.