Kvartsglasskivor är kiseldioxidsubstrat (SiO₂) med hög renhet som används i stor utsträckning vid tillverkning av halvledare, optiska system och elektroniska precisionsenheter. Tack vare sin utmärkta termiska stabilitet, extremt låga värmeutvidgningskoefficient, starka kemiska resistens och höga optiska transmission spelar kvartsglasskivor en viktig roll inom avancerade tillverkningsområden som mikroelektromekaniska system (MEMS), CMOS- och CCD-sensorer, mikrovågskretsar, IoT-enheter (Internet of Things) och laser- eller optiska komponenter.
I takt med den snabba utvecklingen av halvledar- och fotonikteknik fortsätter prestandakraven på substratmaterial att öka. Jämfört med konventionella optiska kvartskomponenter kräver kvartsglasskivor mycket strängare standarder när det gäller tjocklekstolerans, ytjämnhet, planhet och inre materialuniformitet. Därför omfattar produktionen av kvartsskivor en rad sofistikerade steg för materialberedning och precisionsbearbetning.
1. Förberedelse av råmaterial
Utgångsmaterialet för skivor av kvartsglas är vanligtvis ett kvartsglasgöt. Två huvudtyper av kvartsglas används i industriell produktion: flamsmält kvartsglas och syntetiskt kvartsglas.
Flamsmält kvartsglas tillverkas genom att smälta kvartssand med hög renhet med hjälp av en vätgas-syreflamma. Denna metod är relativt ekonomisk och används ofta i industriella tillämpningar. Syntetiskt kvartsglas å andra sidan tillverkas med hjälp av CVD-processer (Chemical Vapor Deposition). I denna metod används kiseltetraklorid (SiCl₄) som prekursor, medan väte fungerar som reduktionsmedel. Den kemiska reaktionen bildar kiseldioxid med extremt hög renhet, vilket resulterar i kvartsglas med överlägsen optisk och strukturell enhetlighet.
För avancerade halvledar- eller optiska applikationer är materialets inre enhetlighet avgörande. För att förbättra densitetsjämnheten och avlägsna inre bubblor som bildas under smältningen genomgår kvartsgöt ofta en homogeniseringsbehandling i en vakuummiljö. Detta steg förbättrar avsevärt den strukturella stabiliteten och den optiska kvaliteten hos materialet.
2. Tillverkning av skivämnen
Skivämnena framställs i allmänhet av cylindriska kvartsgöt med jämn diameter. Två huvudsakliga metoder används vanligen för att tillverka dessa ämnen: kärnborrning och termisk dragning.
Kärnborrning används vanligen för att producera wafers med större diameter. En radiell borrmaskin används för att extrahera cylindriska kärnor från kvartsgöt. Denna metod möjliggör effektiv produktion med bibehållen noggrann dimensionskontroll.
För mindre waferstorlekar används ofta en termisk dragningsmetod. I denna process värms kvartsgöt upp i en medelhögfrekvensugn tills det når ett mjukt tillstånd. Den mjuka kvartsen dras sedan till stavformade ämnen. Denna metod erbjuder flera fördelar. Den andra smältprocessen vid hög temperatur förbättrar den inre materialkvaliteten genom att minska bubblor, mikrodefekter och strukturella oegentligheter. Dessutom kan stavens diameter kontrolleras exakt genom att justera dragningshastigheten och formens dimensioner, vilket bidrar till att minska materialspillet och undvika mekanisk påfrestning orsakad av borrning.
3. Precisionsglödgning
Under smältnings-, formnings- och dragningsfaserna kyls kvartsglaset ojämnt, vilket leder till att det bildas inre termiska spänningar. Dessa spänningar kan påverka efterföljande bearbetningsprocesser och kan också minska den optiska enhetligheten och den strukturella stabiliteten hos wafern.
För att eliminera dessa inre spänningar måste kvartsämnena genomgå en kontrollerad glödgningsprocess. Glödgningsproceduren består i allmänhet av fyra steg: gradvis uppvärmning, temperaturhållning, långsam kylning och slutlig kylning. Noggrann kontroll av temperatur- och tidsparametrar säkerställer effektiv frigöring av restspänningar i materialet, vilket förbättrar den mekaniska stabiliteten och bearbetningssäkerheten.
4. Skivning av flera trådar
I takt med att efterfrågan på kvartswafers ökar har de traditionella skärmetoderna blivit otillräckliga för storskalig produktion. De resulterar också i ett betydande materialspill.
Vid modern tillverkning av kvartsskivor används vanligen multi-wire slicing-teknik. I denna process kan en enda kvartsstav eller ett enda kvartsgöt skäras i flera skivor samtidigt med hjälp av en trådsåg med hög precision. Denna teknik förbättrar produktionseffektiviteten avsevärt samtidigt som den minimerar materialförlusten och säkerställer en jämn skivtjocklek.
5. Waferformning och kantbearbetning
Efter skivningen genomgår wafern flera olika formningsprocesser för att uppnå önskad geometri och måttnoggrannhet. Dessa processer omfattar vanligtvis ytslipning, kantavrundning, plan- eller skårbearbetning och avfasning.
Ytslipning utförs för att avlägsna majoriteten av skivmärkena och för att kontrollera skivans tjocklek. Under detta steg bibehålls tillräckligt med bearbetningsutrymme för senare precisionsbearbetning.
Eftersom kvartsskivor vanligtvis är tunna och ömtåliga binds ofta flera skivor tillfälligt samman under kantrundningen för att säkerställa en stabil och enhetlig slipning. Orienteringsflänsar eller skåror läggs till med hjälp av specialiserad bearbetningsutrustning eller CNC-bearbetningscentra för att ge inriktningsreferenser under enhetstillverkningen.
Avfasning är också ett viktigt steg. Det minskar spänningskoncentrationen i kanten och förhindrar flisning eller sprickbildning under efterföljande bearbetning och hantering.
6. Precisionsslipning och polering
Den slutliga ytkvaliteten på kvartsskivor uppnås genom precisionsslipning och polering. Dessa steg utförs vanligtvis med dubbelsidiga läpp- och polermaskiner.
Finslipning avlägsnar det kvarvarande ytskadeskiktet och förbättrar planheten. Poleringen ger sedan en extremt slät yta med extremt låg ojämnhet.
Vanliga slipmaterial som används vid slipning är kiselkarbid- och diamantpartiklar. För polering används vanligen polerpulver av ceriumoxid. Eftersom kvartswafers kräver extremt hög ytkvalitet är medianpartikelstorleken (D50) för polerpulvret vanligtvis mindre än 2 mikrometer.
En annan kritisk faktor vid polering är pH-värdet i poleruppslamningen. Genom att bibehålla ett lämpligt pH-värde optimeras den kemisk-mekaniska interaktionen mellan polerpartiklarna och kvartsytan, vilket i slutändan ger en överlägsen ytfinish och minimala defekter.
7. Rengöring och förpackning
Det sista steget i produktionen av kvartswafers är rengöring och förpackning, som måste utföras i en renrumsmiljö.
Under bearbetningen kan olika föroreningar som poleringsrester, partiklar och kemiska rester finnas kvar på waferytan. För att avlägsna dessa föroreningar används ofta ultraljudsrengöringsprocesser. Beroende på kundkrav och tillverkningsprocesser kan olika rengöringsmedel införas under ultraljudsrengöring, inklusive alkaliska lösningar, sura lösningar och organiska lösningsmedel.
Oavsett rengöringsmetod används alltid ultrarent vatten för den slutliga sköljningen. För att förhindra partikelkontaminering utförs de sista sköljnings-, torknings- och förpackningsstegen vanligtvis i renrumsmiljöer med en renhetsnivå på klass 100 eller bättre.
Slutsats
Tillverkningen av wafers i kvartsglas innebär en komplex kombination av materialvetenskap och precisionsteknik. Från råvarusyntes och beredning av göt till skivning, formning, polering och rengöring spelar varje steg en avgörande roll för den slutliga waferkvaliteten.
I takt med att halvledarkomponenter, optiska system och avancerad sensorteknik fortsätter att utvecklas kommer efterfrågan på högkvalitativa kvartssubstrat att fortsätta att öka. Ständiga förbättringar inom bearbetningsteknik, precisionsbearbetning och kontamineringskontroll kommer att förbli nyckelfaktorer för att möjliggöra nästa generations högpresterande produkter av kvartsskivor.
