ガラスウェーハ技術: アプリケーション、製造、主要な特性

ガラスウェーハとは何か、そしてなぜそれが重要なのか

ガラスウエハーは、 特殊ガラス素材から作られた精密設計の薄い基板 、通常、厚さは100マイクロメートルから数ミリメートルの範囲です。これらの基板は、半導体製造、微小電気機械システム (MEMS)、マイクロ流体デバイス、および高度なパッケージング用途における基礎プラットフォームとして機能します。従来のシリコン ウェーハとは異なり、ガラス ウェーハは独特の光透過性、優れた電気絶縁特性、およびさまざまな温度に対する優れた寸法安定性を備えています。

グローバルな ガラスウエハー 市場は大幅な成長を遂げており、業界レポートによると、年間複合成長率 (CAGR) は 2020年から2025年までに約8～10% 。この拡大は、2.5D および 3D 集積回路パッケージングにおけるインターポーザーの需要の増加によって推進されており、ガラス ウェーハはシグナル インテグリティと熱管理において重要な利点を提供します。

ガラスウェーハの製造プロセス

ガラスウェーハの製造には、特定の寸法公差と表面品質要件を達成するために調整されたいくつかの高度な製造技術が必要です。

フュージョンドロープロセス

コーニングなどの企業が開発したフュージョン ドロー法は、 表面がきれいな超平坦なガラスシート 成形ウェッジ上に溶融ガラスを流すことによって。このプロセスにより、両面を研磨する必要がなくなり、直径 300mm のウェーハ全体で 10 マイクロメートル未満の平坦度公差が達成されます。得られた材料は、1 ナノメートル RMS 未満の表面粗さ値を示し、フォトリソグラフィー用途に最適です。

フロートガラスと研磨

従来のフロート ガラス プロセスとそれに続く化学機械研磨 (CMP) は、代替製造ルートとなります。このアプローチには追加の処理ステップが必要ですが、ガラス組成の柔軟性が向上し、ガラスの厚さの均一性を実現できます。 大判基板全体で±5マイクロメートル .

レーザー切断とエッジ加工

ガラスシートが形成されると、精密なレーザー切断またはスクライビングが行われ、個々のウェーハが作成されます。エッジ処理技術により、制御されたベベル角度でチップのないエッジが確保され、半導体製造装置の自動処理に不可欠です。最新のシステムは、欠陥密度が直線 1 センチメートルあたり 0.1 個未満というエッジ品質仕様を達成しています。

材料の特性と組成

ガラスウエハーは、 engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

重要なパフォーマンスパラメータ

• 熱膨張係数 (CTE): CTE をシリコンに一致させる (2.6 ppm/°C) ことで、熱処理サイクル中の応力が最小限に抑えられ、反りや層間剥離が防止されます。
• 電気的特性: 10^14 ohm-cm を超える体積抵抗率により、高周波信号のルーティングに優れた絶縁を提供します。
• 光伝送: 可視波長で 90% を超える透明性により、基板と裏面処理による位置合わせが可能になります
• 化学的耐久性: 酸、塩基、有機溶媒に対する耐性により、半導体プロセス化学薬品との適合性が保証されます。

現代のエレクトロニクスにおける主な用途

高度なパッケージングとインターポーザー

ガラスインターポーザーは、 ハイパフォーマンス コンピューティング アプリケーション向けの革新的なテクノロジ 。 Intel、TSMC、その他の大手ファウンドリは、チップレット統合のためのガラス基板技術に多額の投資を行っています。ガラスにより、直径が 10 マイクロメートル、ピッチが 40 マイクロメートルまでのガラス貫通ビア (TGV) が可能になり、 有機基板の10倍の相互接続密度 .

データセンターのプロセッサーでは、ガラス インターポーザーは、50 GHz を超える周波数で従来の素材と比較して約 30 ～ 40% の信号損失の削減を示します。この改善は、電力効率の向上と、AI アクセラレータおよび高帯域幅メモリ (HBM) インターフェイスの帯域幅の増加に直接つながります。

MEMSおよびセンサーデバイス

ガラスウェーハは、マイクロ流体ラボオンチップデバイス、圧力センサー、光学 MEMS に理想的な基板を提供します。この材料の生体適合性、化学的不活性、光学的透明性により、医療診断用途に特に価値があります。血液分析チップを製造する企業は、ホウケイ酸ガラスウェーハを次のように指定するのが日常的です。 表面平坦度公差は 2 マイクロメートル未満の全厚さ変動 (TTV) .

ディスプレイ技術

液晶ディスプレイ (LCD) および OLED パネル用の薄膜トランジスタ (TFT) アレイには大型ガラス基板が使用されており、第 10.5 世代のファブでは 2940mm × 3370mm のガラスシートを加工しています。業界は、表面欠陥と寸法管理に対する厳格な仕様を維持しながら、商品ディスプレイ用途の基板コストが平方フィートあたり 0.50 ドル未満に低下するなど、目覚ましい経済性を達成しました。

シリコンウェーハと比較した利点

シリコンが依然として主要な半導体基板である一方で、ガラスウェーハは特定の用途に対して魅力的な利点を提供します。

1. 信号損失の低減: 0.003 ～ 0.005 の誘電正接値により、ミリ波通信回路で優れた無線周波数 (RF) 性能を実現
2. より大きな基板サイズ: ガラス製造技術は、円形シリコンウェーハの実用限界を超え、510mm × 515mm の長方形フォーマットに容易に拡張可能
3. コスト効率: インターポーザ用途では、ガラス基板のコストは同等のシリコンキャリアよりも 40 ～ 60% 低く抑えられ、同等またはそれ以上の電気的性能を実現できます。
4. 設計の柔軟性: ガラス内の TGV は、シリコン貫通ビアと比較して高いアスペクト比 (深さと直径の比が 10:1 を超える) で形成できるため、よりコンパクトな 3D アーキテクチャが可能になります。
5. 光アクセス: 赤外線および可視光の透過により、不透明シリコンでは不可能な裏面の位置合わせ、検査、および加工技術が可能になります

処理の課題と解決策

ビア形成技術

ガラス貫通ビアの作成には、特有の技術的課題が伴います。現在の製造において主流となっている 3 つの主要な方法:

• レーザー穴あけ加工: 超高速ピコ秒またはフェムト秒レーザーは、熱の影響を受けるゾーンを最小限に抑えて材料をアブレーションし、直径 10 ～ 100 マイクロメートルで 1 秒あたり 100 ～ 500 個のビア形成速度を達成します。
• ウェットエッチング： フッ化水素酸ベースの化学薬品により、大きなビアの側壁の優れた平滑性が得られ、エッチング速度はウェーハバッチ全体で ±5% 以内に制御可能です
• ドライエッチング： プラズマベースの反応性イオンエッチングは、垂直側壁を必要とするアプリケーションに異方性プロファイルを提供しますが、スループットは依然としてレーザー法よりも低いままです

メタライゼーションと接着

ガラス上に導電層を堆積するには、慎重なプロセスの最適化が必要です。チタンまたはクロムの接着層の物理蒸着 (PVD) とそれに続く銅シードの蒸着により、その後の電気めっきで TGV を充填することができます。先進の設備で実現 ビアあたりの電気抵抗が 50 ミリオーム未満で、ビア充填歩留まりが 99.5% を超える .

ガラスに適応したウェーハ接合技術には、陽極接合、融着接合、および接着接合があり、それぞれが異なる熱バジェットと気密性要件に適しています。ホウケイ酸ガラスとシリコンの陽極接合は、界面空隙密度が 0.01% 未満で 20 MPa を超える接合強度を達成します。

業界の展望と今後の展開

ガラスウェーハ業界は、いくつかの収束傾向によって引き起こされる変曲点に立っています。インテルは、先進的なパッケージング用のガラス基板を発表し、 次世代プロセッサの 2030 年の目標 、長年にわたる研究開発投資を検証します。

市場アナリストは、先端パッケージング部門だけで、2028年までに年間20億ドル以上の価値のあるガラスウェーハを消費すると予測しています。この成長は、ガラスの電気的利点がますます重要になっている人工知能、自動運転車、およびエッジコンピューティングアプリケーションにおけるコンピューティングパフォーマンスに対する飽くなき需要に起因しています。

新たなアプリケーション

• フォトニクスの統合: 光導波路が埋め込まれたガラスウェーハにより、テラビット/秒のデータレートで動作する光相互接続用のフォトニック回路と電子回路の同時パッケージ化が可能になります
• 量子コンピューティング: 特殊ガラスは低誘電損失と熱安定性により、超伝導量子ビットアレイ用の魅力的な基板となっています。
• フレキシブルエレクトロニクス: 超薄型ガラス ウェーハ (厚さ 30 マイクロメートルまで) は、機械的に柔軟でありながら化学的に堅牢な基板を、曲げ可能なディスプレイやウェアラブル センサーに提供します。

SEMIなどの組織による標準化の取り組みにより、ガラスウェーハの寸法、平坦度公差、および材料特性の仕様が確立されています。これらの標準は、技術的なリスクを軽減し、大量生産のための複数の供給元のサプライ チェーンを可能にすることで、採用を加速します。