Кварц и стеклянные оптические пластины: объяснение ключевых отличий

Для большинства применений оптических пластин кварц превосходит стандартное стекло. Предложение кварцевых оптических пластин превосходное пропускание УФ-излучения (до 150 нм), более низкий коэффициент теплового расширения (0,55 x 10-6/К) и более высокая чистота. , что делает их предпочтительным субстратом в полупроводниковой литографии, оптике глубокого УФ-излучения и прецизионной фотонике. Однако стеклянные пластины остаются экономически эффективным и практичным выбором там, где прозрачность УФ-излучения и термическая стабильность не являются критическими требованиями.

Что такое оптические пластины

Оптические пластины представляют собой тонкие плоские подложки, изготовленные с жесткими геометрическими и поверхностными допусками и используемые в качестве основы для оптических компонентов, фотошаблонов, датчиков и интегрированных фотонных устройств. Они отличаются от полупроводниковых пластин электронного качества прежде всего тем, что их оптические свойства, такие как пропускание, однородность и однородность показателя преломления, так же важны, как и их механические свойства.

Два доминирующих семейства материалов — это кварц (плавленый кварц или кристаллический кварц) и различные формы стекла (боросиликатное, алюмосиликатное и натриево-известковое). Каждый из них имеет особый набор оптических, тепловых и механических характеристик, которые определяют его пригодность для конкретного применения.

Ключевые различия в материалах между кварцем и стеклом

Понимание структурных различий между кварцем и стеклом проясняет, почему они по-разному работают в качестве подложек оптических пластин.

Состав и структура

Плавленый кварц (наиболее распространенная форма кварцевой пластины оптического качества) состоит из почти чистого диоксида кремния (SiO2) с уровнем примесей ниже 1 ppm. Кристаллический кварц – это тоже SiO2, но в упорядоченной решетке. Стекло, напротив, представляет собой аморфную смесь SiO2 с модификаторами, такими как оксид бора (B2O3), оксид натрия (Na2O) или оксид алюминия (Al2O3), которые регулируют технологичность и стоимость, но вносят оптические и термические компромиссы.

Диапазон оптической передачи

Это, пожалуй, самое важное отличие. Плавленый кварц пропускает свет примерно от 150 нм (глубокий УФ) до 3500 нм (средний инфракрасный диапазон). , охватывающий гораздо более широкий спектральный диапазон, чем у большинства типов стекол. Стандартное боросиликатное стекло обычно пропускает свет в диапазоне от 300 до 2500 нм, отсекая ультрафиолетовый диапазон, где работают многие приложения фотолитографии и флуоресценции. Для эксимер-лазерной литографии ArF с длиной волны 193 нм или процессов KrF с длиной волны 248 нм использование плавленого кварца практически обязательно.

Поведение при тепловом расширении

Термическая стабильность в условиях циклического использования определяет, насколько хорошо пластина сохраняет точность размеров. Плавленый кварц имеет коэффициент теплового расширения (КТР) примерно 0,55 x 10-6/К по сравнению с 3,3 х 10-6/К для боросиликатного стекла и до 9 х 10-6/К для натриево-известкового стекла. Что касается точности литографического наложения, разница в КТР даже в 1 x 10-6/K на пластине диаметром 300 мм может привести к ошибкам позиционирования в сотни нанометров, что неприемлемо при изготовлении сложных узлов.

Параллельное сравнение: кварцевые и стеклянные оптические пластины

В таблице ниже приведены основные параметры производительности плавленого кварца (кварца) по сравнению с боросиликатным стеклом, двумя наиболее широко используемыми на практике оптическими пластинами.

Где превосходят кварцевые оптические пластины

Кварцевые оптические пластины являются предпочтительной подложкой в требовательных фотонных и полупроводниковых приложениях, где точность и спектральный диапазон не могут быть поставлены под угрозу.

Фотолитография и подложки для фотомасок

В производстве полупроводников фотомаски должны передавать длины волн воздействия с почти нулевым поглощением и сохранять стабильность размеров в ходе термических циклов. Плавленый кварц — единственный практичный материал для иммерсионной литографии с длиной волны 193 нм, а также для нанесения пленок и масок, связанных с EUV. Квадратная заготовка фотомаски размером 6 дюймов, изготовленная из плавленого кварца, должна соответствовать характеристикам плоскостности ниже 500 нм по всей поверхности, чего стандартная стеклянная подложка не может надежно обеспечить после многократного термического воздействия.

Приборы для флуоресценции и спектроскопии

Многие биологические флуорофоры и аналитические маркеры возбуждаются в УФ-диапазоне от 200 до 280 нм. Кварцевые проточные ячейки, кюветы и микрофлюидные чипы на основе пластин, используемые в УФ-Вид-спектроскопии, требуют подложек, которые не поглощают и не автофлуоресцируют в этом диапазоне. Боросиликатное стекло демонстрирует значительную автофлуоресценцию при возбуждении с длиной волны ниже 350 нм. , который вносит фоновый шум в установки обнаружения одиночных молекул. Во многих системах кварц на порядок снижает этот фон.

Мощная лазерная оптика

Плавленый кварц имеет порог лазерно-индуцированного повреждения (LIDT) значительно выше, чем стекло для импульсных УФ-лазеров. При длительности наносекундного импульса при 355 нм значения LIDT из плавленого кварца могут достигать 20–30 Дж/см2 по сравнению с менее чем 5 Дж/см2 для многих типов оптического стекла. Это делает кварцевые пластины стандартной подложкой для оптики формирования луча, дифракционных решеток и эталонов в лазерных системах.

МЭМС и изготовление датчиков

Кристаллический кварц, в отличие от плавленого кварца, обладает пьезоэлектрическими свойствами, которые делают его уникально ценным при изготовлении резонаторов и таймеров. Кварцевые пластины AT-среза используются для производства генераторов со стабильностью частоты в диапазоне частей на миллиард при комнатной температуре, которую не может воспроизвести ни одна стеклянная подложка из-за отсутствия пьезоэлектрического отклика.

Где стеклянные оптические пластины являются лучшим выбором

Стеклянные пластины — это не просто худшая альтернатива. В нескольких категориях приложений они предлагают практические преимущества, которые делают их более рациональным выбором.

• Оптика видимого света и визуализирующая оптика: Для приложений, работающих полностью в видимом диапазоне от 400 до 700 нм, боросиликатное стекло обеспечивает адекватное пропускание при гораздо более низкой стоимости подложки. По этой причине в матрицах микролинз на основе пластин, подложках цветных фильтров и стекле объединительной платы для панелей дисплеев обычно используется стекло.
• Бытовая микрофлюидика и лабораторные устройства на кристалле: Там, где воздействие ультрафиолета не является частью рабочего процесса, стеклянные микрофлюидные чипы стоят на 30–50 процентов дешевле, чем эквивалентные кварцевые чипы с сопоставимой химической стойкостью и вариантами функционализации поверхности.
• Защитное стекло датчика изображения CMOS: Тонкие пластины из боросиликатного или алюмосиликатного стекла служат в качестве защитных покровных подложек в корпусах датчиков изображения, где их более низкая стоимость и совместимость со стандартными процессами нарезки кубиками и склеивания перевешивают небольшое преимущество кварца по передаче УФ-излучения.
• Прототип и малосерийные оптические компоненты: Для опытно-конструкторских работ, где допуски на размеры умеренные и характеристики УФ-излучения не проверяются, стеклянные пластины существенно снижают затраты на материалы без ущерба для проверки концепции.

Стандарты качества поверхности и полировки

Как кварцевые, так и стеклянные оптические пластины определяются в соответствии со стандартами качества поверхности, которые определяют устойчивость к царапинам, шероховатость поверхности и плоскостность. Однако кварц и стекло ведут себя при полировке по-разному.

Плавленый кварц из-за его твердости (твердость по Кнупу около 615 кг/мм2) требует более длительных циклов полировки для достижения значений шероховатости поверхности менее ангстрема (Ra менее 0,5 нм), необходимых для фотомасок и прецизионных эталонных применений. Стекло, будучи более мягким, может быстрее достичь сопоставимых значений шероховатости, но оно более склонно к повреждению подповерхностных слоев во время притирки, если параметры абразива не контролируются тщательно.

Для обоих материалов достижимы характеристики 10-5 или выше при скребковых раскопках. в контролируемых условиях, но сохранение этого качества посредством нарезки кубиками, очистки и нанесения покрытия обычно более надежно при использовании кварца из-за его большей твердости и химической инертности.

Химическая совместимость и обработка в чистых помещениях

В чистых помещениях полупроводников решающее значение имеет совместимость подложек с влажными химикатами, плазменными процессами и этапами высокотемпературного отжига.

Плавленый кварц устойчив практически ко всем кислотам, кроме плавиковой кислоты и горячей фосфорной кислоты, и выдерживает термические процессы примерно до 1100 градусов Цельсия без деформации. Стеклянные пластины, в зависимости от состава, могут выщелачивать ионы щелочных металлов при определенных влажных химических условиях, загрязняя технологические ванны или внося нежелательные виды легирующих примесей рядом с конструкциями устройств. Например, натриево-известковое стекло выделяет ионы натрия в горячих щелочных растворах, что несовместимо со стандартными процессами очистки КМОП.

Боросиликатное стекло обеспечивает существенно лучшую химическую стойкость, чем известково-натриевое стекло, и используется в некоторых приложениях MEMS и микрофлюидики, но оно по-прежнему не может сравниться с плавленым кварцем в условиях высоких температур или глубокого УФ-фотонного воздействия.

Как выбрать между кварцем и стеклом для оптической пластины

Выбор подходящей подложки сводится к тому, чтобы свойства материала соответствовали требованиям применения. Следующие критерии принятия решения помогают сузить выбор:

1. Сначала проверьте диапазон длин волн. Если какая-либо часть вашего процесса работает при длине волны ниже 300 нм, необходим кварц (плавленый кварц). Ни одна стеклянная подложка не обеспечивает надежного пропускания УФ-излучения в этом диапазоне.
2. Оцените требования к термоциклированию. Если во время обработки или эксплуатации ваша пластина будет испытывать перепады температуры более 50 градусов C, КТР плавленого кварца в 6 раз ниже, что значительно снижает термические погрешности размеров.
3. Оцените условия химического воздействия. Если подложка будет контактировать с щелочными растворами, HF или высокотемпературными кислотами при температуре процесса выше 80 градусов C, кварц обеспечивает превосходную стойкость и ионную чистоту.
4. Сопоставьте бюджет с объемом. В тех случаях, когда стекло технически достаточно, экономия средств может составлять от 40 до 70 процентов на одну пластину. Для крупногабаритных датчиков видимой длины волны или подложек для дисплеев стекло представляет собой практический инженерный выбор.
5. При необходимости учитывайте пьезоэлектричество. Только кристаллический кварц обеспечивает пьезоэлектрический отклик, необходимый для резонаторов, генераторов и некоторых МЭМС-преобразователей. Ни плавленый кварц, ни стекло не обладают этим свойством.

Заключение

Кварцевые оптические пластины являются технически превосходной подложкой для большинства требовательных оптических и фотонных приложений. , особенно там, где прозрачность УФ-излучения, термическая стабильность размеров, высокие пороги лазерного повреждения или химическая чистота не подлежат обсуждению. Стеклянные оптические пластины остаются вполне оправданным выбором в приложениях видимой длины волны, чувствительных к стоимости или низкой точности, где их рабочие характеристики полностью адекватны. Решение заключается не в том, какой материал лучше в целом, а в том, какие свойства соответствуют конкретным требованиям конкретного применения.