Оптические пластины: сравнение стекла, кварца и сапфира для прецизионных приложений

Боросиликатная и сапфировая пластины могут иметь одинаковый диаметр 100 мм и толщину 1,0 мм, но одна из них стоит дешевле другой и выдерживает совершенно разные условия работы. Именно из-за этого разрыва совершается большинство ошибок при покупке пластин. На практике выбор правильной оптической пластины сводится к трем решениям, принимаемым в следующем порядке: выбрать материал с учетом его пропускания, твердости и термического поведения; определить показатели плоскостности и качества поверхности, которые действительно могут выдерживать последующие процессы; и требуйте данные проверки, подтверждающие и то, и другое перед отправкой. В разделах ниже рассматривается каждое решение по очереди.

Что такое оптическая пластина?

Оптическая пластина представляет собой тонкий диск из материала оптического качества, обычно стекла, плавленого кварца или монокристаллического сапфира, изготовленный с жесткими допусками по толщине, плоскостности и качеству поверхности. В отличие от готового оптического окна, которое устанавливается непосредственно на путь луча, пластина обычно представляет собой подложку: исходную поверхность, на которую будет нанесено покрытие, нанесен узор, склеена или нарезана кубиками во время последующей обработки.

Стандартные диаметры варьируются от 25,4 мм (1 дюйм) до 300 мм, а толщина обычно составляет от 0,5 до 1,1 мм, хотя нестандартные размеры являются обычным явлением в промышленной оптике. Пять параметров отделяют годную к употреблению пластину от бракованной:

• Общая вариация толщины (TTV): разница между самыми толстыми и самыми тонкими точками полированной поверхности.
• Искривление и деформация: отклонения средней плоскости пластины от плоскости, обычно вызванные остаточным напряжением, возникшим в результате шлифовки или притирки.
• Качество поверхности: классы для царапин, такие как 40-20 или 20-10 по MIL-PRF-13830, которые ограничивают допустимые царапины и вмятины.
• Шероховатость поверхности: полированные пластины обычно имеют Ra менее 1 нм, а двухсторонняя полировка - менее 0,5 нм.
• Состояние кромки: геометрия фаски и пределы стружки, которые влияют на скорость поломки во время обработки и нарезания кубиками.

Стекло, кварц или сапфир: выбор материала пластины

Выбор материала влияет на стоимость и производительность больше, чем любое другое решение о пластинах. В таблице ниже сравниваются диапазоны свойств, которые определяют выбор, а примечания после нее объясняют, где каждый материал занимает свое место.

Когда выбор сужается до двух наиболее часто сравниваемых вариантов, решение обычно зависит от пропускания ультрафиолета и термической стабильности, а не только от цены. Мы подробно рассмотрим это сочетание в нашем сравнении кварцевые и стеклянные оптические пластины .

Стеклянные пластины: рабочая лошадка для склеивания и носителей

Стеклянные пластины, обычно боросиликатные или аналогичные оптические стекла, являются наиболее экономичным вариантом, когда не требуется экстремальная прозрачность или твердость. Их тепловое расширение достаточно близко к кремнию для анодного соединения, что делает их стандартными подложками для МЭМС-датчиков давления и инкапсулированных устройств. Они также служат несущими пластинами при работе с тонкими устройствами и базовыми подложками для узорчатой ​​оптики. Ограничения реальны: более слабое пропускание ультрафиолета, чем у плавленого кварца, меньшая устойчивость к тепловому удару и поверхность, которая легче царапается при повторяющихся циклах обращения.

Стеклянные пластины для МЭМС, сенсорных и оптических подложек Пластины из боросиликатного и аналогичного стекла обеспечивают низкую стоимость, прозрачность и тепловое расширение, близкое к кремнию, для анодного соединения. Это делает их достойными рассмотрения в качестве подложек датчиков MEMS, несущих пластин и узорчатой ​​оптики, где не требуется экстремальное пропускание УФ-излучения или твердость. Посмотреть продукт →

Кварцевые пластины: низкое расширение и эффективность в условиях глубокого УФ-излучения

Пластины плавленого кварца имеют очень низкое тепловое расширение, примерно 0,5 ppm/K, что на порядок ниже, чем у большинства стекол, с сильным пропусканием глубокого ультрафиолета. Эта комбинация объясняет их роль в качестве заготовок фотошаблонов, подложек для УФ-оптики и технологических пластин внутри полупроводникового оборудования. Заслуживает внимания одна покупательская ловушка: «кварц» может означать аморфный плавленый кварц или пьезоэлектрический кристаллический кварц, и они существенно различаются по цене, обрабатываемости и применению. Прежде чем запрашивать котировки, подтвердите, какой из них действительно нужен процессу.

Плавленый кварц Wafers with Low Expansion and UV Transmission Пластины плавленого кварца сочетают в себе тепловое расширение около 0,5 частей на миллион/К с сильным пропусканием глубокого ультрафиолета. Их стоит рассмотреть для заготовок фотошаблонов, УФ-оптики и технологических пластин полупроводникового оборудования, если для процесса требуется аморфный, а не кристаллический кварц. Посмотреть продукт →

Сапфировые пластины: твердость и суровые условия эксплуатации

Монокристаллический сапфир стоит дороже за пластину и обрабатывается гораздо медленнее, чем стекло или кварц, но ничто другое в обычном оптическом использовании не сочетает в себе твердость 9 по шкале Мооса, спектральный охват примерно от 150 нм до 5,5 мкм и высокую теплопроводность. Это подложка по умолчанию для светодиодной эпитаксии из нитрида галлия, стандартный выбор для окон и датчиков среднего инфракрасного диапазона, подверженных истиранию или высокой температуре, и все более распространенный в автомобильной оптике. Поскольку свойства сапфира зависят от кристаллографической ориентации, разрез, будь то C-плоскость, R-плоскость или другая плоскость, должен быть явно указан на чертеже.

Сапфировые пластины для светодиодной эпитаксии и суровых оптических применений Монокристаллический сапфир обеспечивает твердость 9 по шкале Мооса, пропускание света от примерно 150 нм до 5,5 мкм и высокую теплопроводность. Этот продукт стоит рассмотреть для эпитаксии светодиодов GaN, окон среднего инфракрасного диапазона и датчиков, подверженных истиранию или высоким температурам, с указанной кристаллической плоскостью. Посмотреть продукт →

Технические характеристики, которые необходимо заблокировать перед запросом ценового предложения

Большинство отказов от пластин связано с техническими характеристиками, которые никогда не были заявлены, а не с производственными сбоями. Прежде чем отправлять запрос на расценки, укажите номер каждого элемента ниже:

1. Диаметр и толщина с допусками, например диаметр 100 мм ±0,1 мм и толщина 1,0 мм ±0,05 мм, а не «номинальные 100 мм».
2. Пределы плоскостности соответствуют области применения: общая толщина подложек для литографии может потребовать менее нескольких микрон по всей апертуре, в то время как для общего оптического применения допустимы более свободные значения.
3. Качество поверхности выражается как качество поверхности, обычно 40–20 для общего использования и 20–10, когда важен рассеянный свет.
4. Формат полировки: односторонний или двусторонний, поскольку обе поверхности имеют значение при подаче пластины по оптическому пути или при операции прецизионного зажима.
5. Ориентация кристаллов сапфира или тип огранки кристаллического кварца показаны на рисунке, а не предполагаемы.
6. Требования к очистке, упаковке и документации, включая необходимость наличия для каждой партии карт плоскостности интерферометра и сертификата соответствия.

Как плоскостность достигается и проверяется на производстве

Плоскостность пластины достигается с помощью фиксированной последовательности: распиловка заготовки, шлифовка до почти окончательной толщины, притирка для устранения подповерхностных повреждений, затем полировка, односторонняя или двусторонняя, для приведения поверхности в соответствие со спецификациями. Каждый этап должен устранять повреждения, оставленные предыдущим, а поспешный шаг проявляется в виде царапин или остаточных напряжений при окончательной проверке.

Проверка имеет такое же значение, как и обработка. TTV, изгиб и деформация обычно измеряются с помощью бесконтактного оптического сканирования, а фигура поверхности подтверждается интерферометрией на указанной длине волны. Показатель плоскостности, указанный без апертуры и длины волны, например «λ/10 плоский» без каких-либо условий, нельзя сравнивать с номером другого поставщика, поэтому укажите на чертеже оба показателя.

Где используются оптические пластины

Оптика на основе пластин используется в гораздо большем количестве отраслей, чем только производство полупроводников:

• Производство полупроводников: подложки фотошаблонов, инспекционная оптика и несущие пластины для работы с тонкими устройствами.
• Оптические датчики в системах визуализации: обработка на уровне пластин позволяет производить окна датчиков, фильтры и подложки микролинз партиями с постоянным качеством поверхности.
• Устройства MEMS: стеклянные пластины, анодно прикрепленные к кремнию, образуют датчики давления, микрофоны и резонаторы.
• Ультрафиолетовые и инфракрасные системы: плавленый кварц служит для литографии и спектроскопии в глубоком УФ-диапазоне, а сапфир закрывает окна среднего ИК-диапазона и датчики высоких температур.
• Автомобильная промышленность и LiDAR: стабильные по размерам, твердые подложки для оптики излучателя и приемника, которые должны выдерживать вибрацию и перепады температуры.

Распространенные риски закупок и как их избежать

Четыре проблемы составляют большую часть проблем при поиске пластин:

• Неоднозначные выноски плоскостности. Для каждой фигуры плоскостности требуется апертура, длина волны и метод измерения, указанные на чертеже.
• Неправильная маркировка материала. Подтвердите, означает ли «кварц» плавленый аморфный материал или кристаллический материал, и является ли «стеклянная» пластина боросиликатной, алюмосиликатной или другого состава, поскольку каждый из них отличается расширением и пропусканием.
• Несоответствие температурного расширения в клееных узлах. Стеклянную пластину, связанную с кремнием, необходимо выбирать с учетом совместимости с расширением, иначе связь трескается во время термоциклирования.
• Отсутствуют данные проверки. Без карт интерферометра или сертификата соответствия проблемы с поверхностью возникают только после последующей обработки, когда бракованная пластина стоит дороже всего.

Работа с производителем оптических пластин

Покупателям, оценивающим поставщиков, нужен краткий контрольный список: проверенная обработка всех трех материалов пластин, продемонстрированная возможность контроля плоскостности и система качества, проверенная на соответствие признанным стандартам. Changzhou Haolilai Photo-Electricity Scientific and Technique Co., Ltd. (HLL) производит прецизионные оптические компоненты с 1998 года на заводе площадью 35 000 квадратных метров в национальной зоне высоких технологий Чанчжоу, на котором работает более 300 человек и экспортируется в более чем 20 стран. Компания имеет сертификаты ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 и IATF 16949, последний из которых поддерживает работу цепочки поставок автомобильной промышленности, а также управляет провинциальным центром точной оптической инженерии, который поддерживает проекты по изготовлению индивидуальных пластин и подложек.

Требования к пластинам сильно различаются в полупроводниковой, автомобильной и лазерной сферах, поэтому самый быстрый путь к точному ценообразованию — это чертеж, содержащий перечисленные выше характеристики. Команда инженеров HLL рассматривает индивидуальные требования и предоставляет индивидуальные оптические решения. Запросы на расценки или технические вопросы можно отправить через страница контактов .

Краткий вариант: выберите материал по его оптическим и термическим свойствам, укажите плоскостность и качество поверхности с помощью цифр и условий измерения, а также запросите данные проверки при доставке. Покупатели, которые следуют этой последовательности, избегают наиболее дорогостоящих видов отказов при поиске пластин и переходят от предложения к квалифицированным деталям за меньшее количество циклов итерации.