Tấm thạch anh là các chất nền oxit silic (SiO₂) có độ tinh khiết cao, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bán dẫn, hệ thống quang học và các thiết bị điện tử chính xác. Nhờ tính ổn định nhiệt tuyệt vời, hệ số giãn nở nhiệt cực thấp, khả năng chống hóa chất mạnh mẽ và độ truyền sáng cao, tấm wafer thủy tinh thạch anh đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực sản xuất tiên tiến như hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), cảm biến CMOS và CCD, mạch vi sóng, thiết bị Internet of Things (IoT) cũng như các thành phần laser hoặc quang học.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn và quang tử, các yêu cầu về hiệu suất đối với vật liệu nền ngày càng cao. So với các linh kiện thạch anh quang học truyền thống, các tấm thạch anh thủy tinh đòi hỏi các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn nhiều về dung sai độ dày, độ nhám bề mặt, độ phẳng và tính đồng nhất của vật liệu bên trong. Do đó, quá trình sản xuất tấm thạch anh thủy tinh bao gồm một chuỗi các công đoạn chuẩn bị vật liệu và gia công chính xác phức tạp.
1. Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu ban đầu cho tấm thạch anh thường là một thỏi thủy tinh thạch anh. Trong sản xuất công nghiệp, người ta sử dụng hai loại thủy tinh thạch anh chính: thủy tinh thạch anh nung chảy bằng ngọn lửa và thủy tinh thạch anh tổng hợp.
Thủy tinh thạch anh nung bằng ngọn lửa được sản xuất bằng cách nung chảy cát thạch anh có độ tinh khiết cao bằng ngọn lửa hydro-oxy. Phương pháp này tương đối tiết kiệm chi phí và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Mặt khác, thủy tinh thạch anh tổng hợp được sản xuất bằng quy trình lắng đọng hơi hóa học (CVD). Trong phương pháp này, silicon tetrachloride (SiCl₄) được sử dụng làm tiền chất, trong khi hydro đóng vai trò là chất khử. Phản ứng hóa học tạo thành silicon dioxide có độ tinh khiết cực cao, dẫn đến thủy tinh thạch anh có tính đồng nhất về mặt quang học và cấu trúc vượt trội.
Đối với các ứng dụng bán dẫn hoặc quang học cao cấp, tính đồng nhất bên trong vật liệu là yếu tố then chốt. Để cải thiện độ đồng nhất về mật độ và loại bỏ các bọt khí bên trong hình thành trong quá trình nấu chảy, thỏi thạch anh thường được xử lý đồng nhất hóa trong môi trường chân không. Bước này giúp nâng cao đáng kể độ ổn định cấu trúc và chất lượng quang học của vật liệu.
2. Sản xuất tấm wafer thô
Phôi wafer thường được chế tạo từ các thỏi thạch anh hình trụ có đường kính đồng đều. Có hai phương pháp chính thường được sử dụng để sản xuất các phôi này: khoan lõi và kéo nhiệt.
Kỹ thuật khoan lõi thường được áp dụng để sản xuất các tấm thạch anh có đường kính lớn hơn. Máy khoan hướng tâm được sử dụng để tách các lõi hình trụ ra khỏi thỏi thạch anh. Phương pháp này giúp sản xuất hiệu quả đồng thời đảm bảo kiểm soát kích thước chính xác.
Đối với các tấm wafer có kích thước nhỏ hơn, phương pháp kéo nhiệt thường được sử dụng. Trong quy trình này, thỏi thạch anh được nung trong lò tần số trung bình cho đến khi đạt trạng thái mềm dẻo. Sau đó, thạch anh đã mềm dẻo được kéo thành các phôi hình que. Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm. Quá trình nung chảy ở nhiệt độ cao lần thứ hai giúp cải thiện chất lượng vật liệu bên trong bằng cách giảm bọt khí, khuyết tật vi mô và các bất thường về cấu trúc. Ngoài ra, đường kính của thanh có thể được kiểm soát chính xác bằng cách điều chỉnh tốc độ kéo và kích thước khuôn, giúp giảm lãng phí vật liệu và tránh ứng suất cơ học do khoan gây ra.
3. Ủ chính xác
Trong các giai đoạn nấu chảy, tạo hình và kéo sợi, thủy tinh thạch anh trải qua quá trình làm nguội không đồng đều, dẫn đến sự hình thành các ứng suất nhiệt bên trong. Những ứng suất này có thể ảnh hưởng đến các quy trình gia công tiếp theo và cũng có thể làm giảm tính đồng nhất quang học cũng như độ ổn định cấu trúc của tấm wafer.
Để loại bỏ các ứng suất bên trong này, các phôi thạch anh phải trải qua quá trình ủ nhiệt có kiểm soát. Quy trình ủ nhiệt thường bao gồm bốn giai đoạn: gia nhiệt từ từ, duy trì nhiệt độ, làm nguội chậm và làm nguội cuối cùng. Việc kiểm soát cẩn thận các thông số về nhiệt độ và thời gian đảm bảo giải phóng hiệu quả ứng suất dư trong vật liệu, từ đó nâng cao độ ổn định cơ học và độ tin cậy trong quá trình gia công.
4. Cắt lát đa dây
Khi nhu cầu về tấm thạch anh ngày càng tăng, các phương pháp cắt truyền thống đã không còn đáp ứng được yêu cầu của sản xuất quy mô lớn. Hơn nữa, các phương pháp này còn gây ra lượng phế liệu đáng kể.
Trong sản xuất tấm thạch anh hiện đại, công nghệ cắt bằng dây đa sợi thường được áp dụng. Trong quy trình này, một thanh hoặc khối thạch anh có thể được cắt thành nhiều tấm cùng lúc bằng máy cắt dây có độ chính xác cao. Kỹ thuật này giúp nâng cao đáng kể hiệu quả sản xuất, đồng thời giảm thiểu tổn thất vật liệu và đảm bảo độ dày đồng đều cho các tấm thạch anh.
5. Tạo hình tấm wafer và xử lý mép
Sau khi cắt lát, tấm wafer sẽ trải qua một số quy trình gia công để đạt được hình dạng và độ chính xác kích thước theo yêu cầu. Các quy trình này thường bao gồm mài bề mặt, bo tròn cạnh, gia công mặt phẳng định hướng hoặc gia công rãnh, và vát cạnh.
Quá trình mài bề mặt được thực hiện để loại bỏ phần lớn các vết cắt và kiểm soát độ dày của tấm wafer. Trong bước này, người ta duy trì một lượng dư gia công đủ để phục vụ cho các công đoạn gia công chính xác sau này.
Do các tấm thạch anh thường mỏng và dễ vỡ, nên trong quá trình bo tròn cạnh, người ta thường dán tạm thời nhiều tấm lại với nhau để đảm bảo quá trình mài diễn ra ổn định và đồng đều. Các mặt phẳng định hướng hoặc rãnh được tạo ra bằng thiết bị gia công chuyên dụng hoặc trung tâm gia công CNC để làm điểm tham chiếu căn chỉnh trong quá trình sản xuất thiết bị.
Việc vát cạnh cũng là một bước quan trọng. Nó giúp giảm sự tập trung ứng suất tại các cạnh và ngăn ngừa hiện tượng sứt mẻ hoặc nứt vỡ trong quá trình gia công và xử lý tiếp theo.
6. Mài và đánh bóng chính xác
Chất lượng bề mặt cuối cùng của các tấm thạch anh được đảm bảo thông qua các quy trình mài và đánh bóng chính xác. Các công đoạn này thường được thực hiện bằng máy mài và đánh bóng hai mặt.
Quá trình mài mịn giúp loại bỏ lớp bề mặt bị hư hỏng còn lại và cải thiện độ phẳng. Tiếp theo, quá trình đánh bóng tạo ra bề mặt cực kỳ mịn màng với độ nhám cực thấp.
Các vật liệu mài mòn thường được sử dụng trong quá trình mài bao gồm cacbua silic và các hạt kim cương. Đối với quá trình đánh bóng, người ta thường sử dụng bột đánh bóng oxit xeri. Do các tấm wafer thạch anh đòi hỏi chất lượng bề mặt cực kỳ cao, nên kích thước hạt trung bình (D50) của bột đánh bóng thường nhỏ hơn 2 micromet.
Một yếu tố quan trọng khác trong quá trình đánh bóng là giá trị pH của hỗn hợp đánh bóng. Việc duy trì mức pH phù hợp giúp tối ưu hóa sự tương tác hóa học-cơ học giữa các hạt đánh bóng và bề mặt thạch anh, từ đó mang lại bề mặt hoàn thiện vượt trội và giảm thiểu khuyết tật.
7. Vệ sinh và đóng gói
Công đoạn cuối cùng trong quy trình sản xuất tấm thạch anh là làm sạch và đóng gói, phải được thực hiện trong môi trường phòng sạch.
Trong quá trình gia công, các tạp chất khác nhau như cặn đánh bóng, hạt bụi và cặn hóa chất có thể bám lại trên bề mặt tấm wafer. Để loại bỏ các tạp chất này, người ta thường sử dụng quy trình làm sạch bằng sóng siêu âm. Tùy thuộc vào yêu cầu của khách hàng và quy trình sản xuất, có thể sử dụng các chất tẩy rửa khác nhau trong quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm, bao gồm dung dịch kiềm, dung dịch axit và dung môi hữu cơ.
Bất kể phương pháp làm sạch nào được sử dụng, nước siêu tinh khiết luôn được dùng cho công đoạn rửa cuối cùng. Để ngăn ngừa ô nhiễm do hạt bụi, các công đoạn rửa cuối cùng, sấy khô và đóng gói thường được thực hiện trong môi trường phòng sạch có mức độ sạch đạt tiêu chuẩn Class 100 hoặc cao hơn.
Kết luận
Quá trình sản xuất tấm thạch anh bao gồm sự kết hợp phức tạp giữa khoa học vật liệu và các công nghệ kỹ thuật chính xác. Từ khâu tổng hợp nguyên liệu thô và chuẩn bị phôi đến các công đoạn cắt lát, tạo hình, đánh bóng và làm sạch, mỗi bước đều đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng cuối cùng của tấm thạch anh.
Khi các thiết bị bán dẫn, hệ thống quang học và công nghệ cảm biến tiên tiến không ngừng phát triển, nhu cầu về các chất nền thạch anh chất lượng cao sẽ tiếp tục gia tăng. Những cải tiến liên tục trong công nghệ chế tạo, gia công chính xác và kiểm soát ô nhiễm sẽ vẫn là những yếu tố then chốt để tạo ra thế hệ tiếp theo của các sản phẩm tấm thạch anh hiệu suất cao.
