石英対ガラス光学ウェーハ: 主な違いの説明

ほとんどの光学ウェーハ用途では、石英は標準のガラスよりも優れた性能を発揮します。石英光学ウェーハの提供 優れた UV 透過率 (150 nm まで)、より低い熱膨張係数 (0.55 x 10-6/K)、およびより高い純度 そのため、半導体リソグラフィー、深紫外光学素子、精密フォトニクスにおいて推奨される基板となっています。ただし、UV 透過性や熱安定性が重要な要件ではない場合、ガラス ウェーハは依然としてコスト効率が高く実用的な選択肢です。

光学ウェーハとは

光学ウェーハ 厳しい幾何学的公差および表面公差に従って製造された薄くて平らな基板であり、光学部品、フォトマスク、センサー、および統合フォトニックデバイスの基盤として使用されます。これらは主に、透過率、均質性、屈折率の均一性などの光学的特性が機械的特性と同じくらい重要であるという点で電子グレードの半導体ウェーハと異なります。

2 つの主な材料ファミリーは、石英 (溶融シリカまたは結晶石英) とさまざまな形態のガラス (ホウケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、ソーダ石灰) です。それぞれが、特定の用途への適合性を決定する、一連の異なる光学的、熱的、機械的特性を備えています。

石英とガラスの主な材料の違い

石英とガラスの構造の違いを理解すると、光学ウェーハ基板としての性能が異なる理由が明確になります。

構成と構造

溶融シリカ (光学グレードの石英ウェハーの最も一般的な形式) は、不純物レベルが 1 ppm 未満のほぼ純粋な二酸化ケイ素 (SiO2) で構成されています。結晶質石英も SiO2 ですが、規則正しい格子をしています。対照的に、ガラスは、SiO2 と酸化ホウ素 (B2O3)、酸化ナトリウム (Na2O)、または酸化アルミニウム (Al2O3) などの改質剤との非晶質混合物であり、これらにより加工性とコストが調整されますが、光学的および熱的トレードオフが生じます。

光伝送範囲

これがおそらく最も重要な差別化要因です。 溶融シリカは約 150 nm (深紫外) から 3,500 nm (中赤外) までの光を透過します。 、ほとんどの種類のガラスよりもはるかに広いスペクトル窓をカバーします。標準的なホウケイ酸ガラスは通常、約 300 nm ～ 2,500 nm を透過し、多くのフォトリソグラフィーや蛍光アプリケーションが使用される UV 領域を遮断します。 193 nm ArF エキシマ レーザー リソグラフィーまたは 248 nm KrF プロセスでは、溶融シリカは基本的に必須です。

熱膨張挙動

サイクリング条件下での熱安定性は、ウェーハが寸法精度をどの程度維持できるかによって決まります。溶融シリカには、 熱膨張係数 (CTE) 約 0.55 x 10-6/K 、ホウケイ酸ガラスの場合は 3.3 x 10-6/K、ソーダ石灰ガラスの場合は最大 9 x 10-6/K と比較します。リソグラフィーのオーバーレイ精度では、300 mm ウェーハ全体で 1 x 10-6/K の CTE 差でも数百ナノメートルの位置誤差が生じる可能性があり、これは高度なノード製造では許容できません。

並べて比較: 石英とガラスの光学ウェーハ

以下の表は、実際に最も広く使用されている 2 つの光学ウェーハ材料である溶融シリカ (石英) とホウケイ酸ガラスの主な性能パラメータをまとめたものです。

石英光学ウェーハが優れている点

石英光学ウェーハは、精度とスペクトル範囲を犠牲にすることができない、要求の厳しいフォトニクスおよび半導体用途で選ばれる基板です。

フォトリソグラフィーとフォトマスク基板

半導体製造では、フォトマスクは吸収がほぼゼロで露光波長を透過し、熱サイクル全体にわたって寸法安定性を維持する必要があります。溶融シリカは、193 nm 液浸リソグラフィーおよび EUV 関連のペリクルおよびマスク ブランクのアプリケーションに実用的な唯一の材料です。溶融シリカ製の 6 インチ四方のフォトマスク ブランクは、表面全体で 500 nm 未満の平坦性仕様を満たす必要がありますが、標準的なガラス基板では、繰り返し熱にさらされると確実に平坦性を達成できません。

蛍光および分光分析装置

多くの生物学的蛍光色素および分析マーカーは、200 ～ 280 nm の UV 範囲で励起されます。 UV-Vis分光法で使用される石英フローセル、キュベット、およびウェーハベースのマイクロ流体チップには、この範囲で吸収または自己蛍光を発しない基板が必要です。 ホウケイ酸ガラスは、350 nm 以下で励起すると顕著な自家蛍光を示します これにより、単一分子検出セットアップにバックグラウンド ノイズが発生します。 Quartz は、多くのシステムでこのバックグラウンドを一桁減少させます。

高出力レーザー光学系

溶融シリカは、パルス UV レーザー用のガラスよりも大幅に高いレーザー誘起損傷閾値 (LIDT) を持っています。 355 nm でのナノ秒パルス持続時間では、溶融シリカの LIDT 値は 20 ～ 30 J/cm2 に達する可能性がありますが、多くの種類の光学ガラスでは 5 J/cm2 未満です。このため、石英ウェハは、レーザー システムのビーム整形光学系、回折格子、エタロンの標準基板となっています。

MEMSおよびセンサーの製造

結晶石英は、石英ガラスとは異なり、圧電特性を示し、共振器やタイミング デバイスの製造において独特の価値をもたらします。 AT カット水晶ウェハは、室温で 10 億分の 1 の範囲の周波数安定性を備えた発振器を製造するために使用されます。圧電応答がないため、ガラス基板ではこれを再現できません。

ガラス光学ウェーハがより良い選択となる場合

ガラスウェーハは単に劣った代替品ではありません。いくつかのアプリケーション カテゴリでは、より合理的な選択となる実用的な利点があります。

• 可視光ディスプレイと画像光学系: 400 ～ 700 nm の可視範囲で完全に動作するアプリケーションの場合、ホウケイ酸ガラスは、はるかに低い基板コストで十分な透過率を実現します。このため、ウェハベースのマイクロレンズアレイ、カラーフィルター基板、およびディスプレイパネルのバックプレーンガラスには一般的にガラスが使用されています。
• 消費者向けマイクロ流体工学およびラボオンチップデバイス: UV 曝露がワークフローの一部ではない場合、ガラス製マイクロ流体チップは、同等の耐薬品性と表面機能化オプションを備えた同等の石英チップよりも 30 ～ 50% コストが低くなります。
• CMOSイメージセンサーカバーガラス： 薄いホウケイ酸ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスのウェーハは、イメージ センサー パッケージの保護カバー基板として機能し、その低コストと標準的なダイシングおよびボンディング プロセスとの互換性が、石英のわずかな UV 透過の利点を上回ります。
• プロトタイプおよび少量生産の光学コンポーネント: 寸法公差が中程度であり、UV 性能がテストされない開発実行の場合、ガラス ウェーハは概念実証の検証を損なうことなく材料コストを大幅に削減します。

表面品質と研磨基準

石英とガラスの光学ウェーハはどちらも、スクラッチ ディグ評価、表面粗さ、平坦度を管理する表面品質基準に従って指定されています。ただし、石英とガラスは研磨中の挙動が異なります。

溶融シリカは、その硬度 (ヌープ硬度約 615 kg/mm2) により、フォトマスクや精密エタロンの用途に必要なサブオングストロームの表面粗さ値 (Ra 0.5 nm 未満) に達するには、より長い研磨サイクルが必要です。ガラスは柔らかいため、より早く同等の粗さ値に達することができますが、研磨パラメータを注意深く制御しないと、ラッピング中に表面下に損傷が発生しやすくなります。

どちらの材料でも 10-5 以上のスクラッチ・ディグ仕様を達成可能 管理された条件下での品質維持は可能ですが、ダイシング、洗浄、コーティングの各ステップを通じてこの品質を維持することは、一般に石英の方が硬度が高く化学的不活性度が高いため、より信頼性が高くなります。

化学的適合性とクリーンルーム処理

半導体クリーンルーム環境では、湿式化学薬品、プラズマプロセス、および高温アニーリングステップに対する基板の適合性が重要です。

溶融シリカは、フッ化水素酸と熱リン酸を除くほぼすべての酸に対して耐性があり、約 1,100 ℃ までの熱プロセスにも変形することなく耐えられます。ガラスウェーハは、組成に応じて、特定の湿式化学条件下でアルカリイオンを浸出させ、プロセスバスを汚染したり、デバイス構造近くに不要なドーパント種を導入したりする可能性があります。たとえば、ソーダ石灰ガラスは高温アルカリ溶液中にナトリウムイオンを放出しますが、これは標準的な CMOS 洗浄プロセスと互換性がありません。

ホウケイ酸ガラスは、ソーダ石灰ガラスよりも大幅に優れた耐薬品性を備え、一部の MEMS およびマイクロ流体工学アプリケーションで使用されていますが、高温または深紫外光子曝露環境では依然として溶融シリカには匹敵しません。

光学ウェーハ用途に石英とガラスのどちらを選択するか

適切な基板を選択するには、材料特性をアプリケーション要件に適合させる必要があります。次の決定基準は、選択肢を絞り込むのに役立ちます。

1. まず自分の波長範囲を確認してください。 プロセスの一部が 300 nm 未満で動作する場合は、石英 (溶融シリカ) が必要です。この範囲で信頼できる UV 透過率を提供するガラス基板はありません。
2. 熱サイクルの要求を評価します。 処理中または動作中にウェーハが 50 ℃ を超える温度変動を受ける場合、CTE が 6 倍低い溶融シリカにより、熱による寸法誤差が大幅に減少します。
3. 化学物質への曝露状態を評価します。 基板が 80 ℃ を超えるプロセス温度でアルカリ溶液、HF、または高温の酸に接触する場合、石英は優れた耐性とイオン清浄度を提供します。
4. ボリュームに対して予算を考慮してください。 技術的にガラスで十分なアプリケーションの場合、ウェーハあたり 40 ～ 70% のコスト削減が可能です。大量の可視波長センサーやディスプレイ関連基板の場合、ガラスは実用的な工学的選択肢となります。
5. 必要に応じて圧電性を考慮します。 結晶水晶のみが、共振器、発振器、および特定の MEMS トランスデューサに必要な圧電応答を提供します。溶融シリカもガラスもこの特性を備えていません。

結論

石英光学ウェーハは、要求の厳しい光学およびフォトニクス用途の大部分において技術的に優れた基板です。 特に、UV 透過性、熱寸法安定性、高いレーザー損傷閾値、または化学純度が交渉の余地のない場合に使用されます。ガラス光学ウェーハは、その性能特性が十分に適切である可視波長、コスト重視、または低精度のアプリケーションにおいて、依然として十分に正当な選択肢です。決定はどの材料が普遍的に優れているかということではなく、どの特性が当面のアプリケーションの特定の要件に適合するかによって決まります。