석영 대 유리 광학 웨이퍼: 주요 차이점 설명

대부분의 광학 웨이퍼 응용 분야에서 석영은 표준 유리보다 성능이 뛰어납니다. 석영 광학 웨이퍼 제공 우수한 UV 투과율(최저 150 nm), 더 낮은 열팽창 계수(0.55 x 10-6/K) 및 더 높은 순도 , 반도체 리소그래피, 원자외선 광학 및 정밀 포토닉스 분야에서 선호되는 기판입니다. 그러나 유리 웨이퍼는 UV 투명성과 열 안정성이 중요한 요구 사항이 아닌 경우 비용 효율적이고 실용적인 선택으로 남아 있습니다.

광학 웨이퍼란?

광학 웨이퍼 엄격한 기하학적 및 표면 공차로 제작된 얇고 평평한 기판으로 광학 부품, 포토마스크, 센서 및 통합 광자 장치의 기초로 사용됩니다. 이 웨이퍼는 투과율, 균질성, 굴절률 균일성과 같은 광학적 특성이 기계적 특성만큼 중요하다는 점에서 전자급 반도체 웨이퍼와 다릅니다.

두 가지 주요 재료군은 석영(용융 실리카 또는 결정질 석영)과 다양한 형태의 유리(붕규산염, 알루미노규산염 및 소다석회)입니다. 각각은 주어진 응용 분야에 대한 적합성을 결정하는 뚜렷한 광학적, 열적, 기계적 특성 세트를 가지고 있습니다.

석영과 유리의 주요 재료 차이점

석영과 유리의 구조적 차이를 이해하면 석영과 유리가 광학 웨이퍼 기판으로서 다르게 작동하는 이유가 명확해집니다.

구성과 구조

용융 실리카(광학 등급 석영 웨이퍼의 가장 일반적인 형태)는 불순물 수준이 1ppm 미만인 거의 순수한 이산화규소(SiO2)로 구성됩니다. 결정질 석영도 SiO2이지만 규칙적인 격자 형태입니다. 이와 대조적으로 유리는 SiO2와 산화붕소(B2O3), 산화나트륨(Na2O) 또는 산화알루미늄(Al2O3)과 같은 개질제의 비정질 혼합물로, 가공성과 비용을 조정하지만 광학적 및 열적 상충관계를 초래합니다.

광 전송 범위

이것이 가장 중요한 차별화 요소라고 할 수 있습니다. 용융 실리카는 약 150nm(심자외선)에서 3,500nm(중적외선)까지의 빛을 투과시킵니다. , 대부분의 유리 유형보다 훨씬 더 넓은 스펙트럼 창을 포함합니다. 표준 붕규산 유리는 일반적으로 약 300nm에서 2,500nm까지 투과하여 많은 사진 석판술 및 형광 응용 분야가 작동하는 UV 영역을 차단합니다. 193nm ArF 엑시머 레이저 리소그래피 또는 248nm KrF 공정의 경우 용융 실리카가 필수적입니다.

열팽창 거동

사이클링 조건에서의 열 안정성은 웨이퍼가 치수 정확도를 얼마나 잘 유지하는지를 결정합니다. 용융 실리카에는 약 0.55 x 10-6/K의 열팽창 계수(CTE) , 붕규산 유리의 경우 3.3 x 10-6/K, 소다석회 유리의 경우 최대 9 x 10-6/K와 비교됩니다. 리소그래피 오버레이 정확도에서는 300mm 웨이퍼 전체에 걸쳐 1 x 10-6/K의 CTE 차이라도 수백 나노미터의 위치 오류를 생성할 수 있으며 이는 고급 노드 제조에서는 허용되지 않습니다.

나란히 비교: 석영 대 유리 광학 웨이퍼

아래 표에는 실제로 가장 널리 사용되는 두 가지 광학 웨이퍼 재료인 용융 실리카(석영)와 붕규산 유리의 주요 성능 매개변수가 요약되어 있습니다.

석영 광학 웨이퍼가 뛰어난 곳

석영 광학 웨이퍼는 정밀도와 스펙트럼 범위가 타협될 수 없는 까다로운 광자 및 반도체 응용 분야에서 선택되는 기판입니다.

포토리소그래피 및 포토마스크 기판

반도체 제조에서 포토마스크는 거의 0에 가까운 흡수율로 노출 파장을 전달하고 열 주기 전반에 걸쳐 치수 안정성을 유지해야 합니다. 용융 실리카는 193nm 침지 리소그래피와 EUV 관련 펠리클 및 마스크 블랭크 응용 분야에 사용할 수 있는 유일한 실용적인 재료입니다. 용융 실리카로 제작된 6인치 정사각형 포토마스크 블랭크는 전체 표면에 걸쳐 500nm 미만의 평탄도 사양을 충족해야 하지만, 표준 유리 기판은 반복적인 열 노출 후에는 안정적으로 달성할 수 없습니다.

형광 및 분광학 계측

많은 생물학적 형광단과 분석 마커는 200~280nm UV 범위에서 활성화됩니다. UV-Vis 분광학에 사용되는 석영 플로우 셀, 큐벳 및 웨이퍼 기반 미세유체 칩에는 이 범위에서 흡수 또는 자가형광을 나타내지 않는 기판이 필요합니다. 붕규산 유리는 350nm 이하로 여기되면 상당한 자가형광을 나타냅니다. 이는 단일 분자 검출 설정에 배경 잡음을 도입합니다. Quartz는 많은 시스템에서 이러한 배경을 몇 배나 줄입니다.

고출력 레이저 광학

용융 실리카는 펄스 UV 레이저용 유리보다 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)이 훨씬 높습니다. 355nm에서 나노초 펄스 지속 시간의 경우 용융 실리카 LIDT 값은 20~30J/cm2에 달할 수 있는데, 이는 많은 광학 유리 유형의 경우 5J/cm2 미만입니다. 이로 인해 석영 웨이퍼는 레이저 시스템의 빔 성형 광학, 회절 격자 및 에탈론을 위한 표준 기판이 되었습니다.

MEMS 및 센서 제조

용융 실리카와는 다른 결정질 석영은 공진기 및 타이밍 장치 제조에 고유한 가치를 부여하는 압전 특성을 나타냅니다. AT 컷 석영 웨이퍼는 실온에서 10억분율 범위의 주파수 안정성을 갖는 발진기를 생산하는 데 사용되며, 압전 반응이 없기 때문에 유리 기판에서는 이를 복제할 수 없습니다.

유리 광학 웨이퍼가 더 나은 선택인 경우

유리 웨이퍼는 단순히 열등한 대안이 아닙니다. 여러 응용 분야에서 보다 합리적인 선택이 될 수 있는 실질적인 이점을 제공합니다.

• 가시광선 디스플레이 및 이미징 광학: 400~700nm 가시 범위에서 완전히 작동하는 응용 분야의 경우 붕규산 유리는 훨씬 낮은 기판 비용으로 적절한 투과율을 제공합니다. 이러한 이유로 웨이퍼 기반 마이크로 렌즈 어레이, 컬러 필터 기판, 디스플레이 패널용 백플레인 유리에는 일반적으로 유리가 사용됩니다.
• 소비자 미세유체공학 및 랩온칩 장치: UV 노출이 작업흐름의 일부가 아닌 경우, 유리 미세유체 칩은 유사한 내화학성과 표면 기능화 옵션을 갖춘 동등한 석영 칩보다 비용이 30~50% 저렴합니다.
• CMOS 이미지 센서 커버 유리: 얇은 붕규산염 또는 알루미노규산염 유리 웨이퍼는 이미지 센서 패키지의 보호 커버 기판 역할을 하며, 표준 다이싱 및 본딩 공정과의 호환성과 낮은 비용이 석영의 약간의 UV 투과 이점보다 더 중요합니다.
• 프로토타입 및 소량 광학 부품: 치수 공차가 적당하고 UV 성능이 테스트되지 않은 개발 실행의 경우 유리 웨이퍼는 개념 증명 검증을 손상시키지 않으면서 재료 비용을 크게 절감합니다.

표면 품질 및 연마 표준

석영 및 유리 광학 웨이퍼는 스크래치 발굴 등급, 표면 거칠기 및 평탄도를 관리하는 표면 품질 표준에 따라 지정됩니다. 그러나 석영과 유리는 연마 중에 다르게 반응합니다.

용융 실리카는 경도(누프 경도 약 615kg/mm2)로 인해 포토마스크 및 정밀 에탈론 응용 분야에 필요한 옹스트롬 미만의 표면 거칠기 값(Ra 0.5nm 미만)에 도달하려면 더 긴 연마 주기가 필요합니다. 유리는 더 부드러워서 유사한 거칠기 값에 더 빨리 도달할 수 있지만 연마 매개변수를 주의 깊게 제어하지 않으면 래핑 중에 표면 아래 손상이 더 쉽게 발생합니다.

두 재료 모두에서 10-5 이상의 스크래치 발굴 사양을 달성할 수 있습니다. 통제된 조건 하에서는 다이싱, 세척 및 코팅 단계를 통해 이 품질을 유지하는 것이 일반적으로 석영의 경도와 화학적 불활성으로 인해 더 안정적입니다.

화학적 호환성 및 클린룸 처리

반도체 클린룸 환경에서는 습식 화학 물질, 플라즈마 공정 및 고온 어닐링 단계와의 기판 호환성이 중요합니다.

용융 실리카는 불화수소산과 뜨거운 인산을 제외한 거의 모든 산에 내성을 갖고 있으며 최대 약 1,100°C의 열 공정에서도 변형 없이 견딥니다. 유리 웨이퍼는 조성에 따라 특정 습식 화학 조건에서 알칼리 이온을 침출시켜 공정조를 오염시키거나 장치 구조 근처에 원치 않는 도펀트 종을 도입할 수 있습니다. 예를 들어, 소다석회 유리는 표준 CMOS 세척 공정과 호환되지 않는 뜨거운 알칼리성 용액에서 나트륨 이온을 방출합니다.

붕규산 유리는 소다석회 유리보다 훨씬 더 나은 내화학성을 제공하고 일부 MEMS 및 미세 유체 응용 분야에 사용되지만 여전히 고온 또는 깊은 UV 광자 노출 환경에서 용융 실리카와 일치할 수 없습니다.

광학 웨이퍼 응용 분야에 석영과 유리 중에서 선택하는 방법

올바른 기판을 선택하는 것은 재료 특성을 응용 분야 요구 사항에 맞추는 것입니다. 다음 결정 기준은 선택 범위를 좁히는 데 도움이 됩니다.

1. 먼저 파장 범위를 확인하세요. 프로세스의 일부가 300nm 미만에서 작동하는 경우 석영(용융 실리카)이 필요합니다. 이 범위에서는 안정적인 UV 투과율을 제공하는 유리 기판이 없습니다.
2. 열 순환 요구 사항을 평가합니다. 웨이퍼가 처리 또는 작동 중에 50°C보다 큰 온도 변동을 경험하는 경우 용융 실리카의 6배 낮은 CTE는 열로 인한 치수 오류를 크게 줄여줍니다.
3. 화학물질 노출 조건을 평가합니다. 기판이 80°C 이상의 공정 온도에서 알칼리성 용액, HF 또는 고온 산과 접촉하는 경우 석영은 탁월한 저항성과 이온 청정도를 제공합니다.
4. 볼륨 대비 예산을 고려하세요. 유리가 기술적으로 충분한 응용 분야의 경우 비용 절감은 웨이퍼당 40~70%가 될 수 있습니다. 대용량 가시 파장 센서 또는 디스플레이 관련 기판의 경우 유리는 실용적인 엔지니어링 선택을 나타냅니다.
5. 필요한 경우 압전성을 고려하십시오. 수정 수정만이 공진기, 발진기 및 특정 MEMS 변환기에 필요한 압전 응답을 제공합니다. 용융 실리카나 유리는 이러한 특성을 제공하지 않습니다.

결론

석영 광학 웨이퍼는 대부분의 까다로운 광학 및 광학 응용 분야에서 기술적으로 우수한 기판입니다. 특히 UV 투명성, 열 치수 안정성, 높은 레이저 손상 임계값 또는 화학적 순도는 협상할 수 없습니다. 유리 광학 웨이퍼는 성능 특성이 완전히 적절한 가시광선 파장, 비용에 민감한 저정밀 응용 분야에서 여전히 정당한 선택입니다. 결정은 어떤 재료가 보편적으로 더 나은지에 대한 것이 아니라 어떤 속성이 현재 적용 분야의 특정 요구 사항에 부합하는지에 관한 것입니다.