Glass Wafer Technology: Alkalmazások, gyártás és legfontosabb tulajdonságok

Mi az üveg ostya és miért fontosak

Az üveg ostyák azok precíziós tervezésű vékony hordozók speciális üveganyagokból , jellemzően 100 mikrométertől több milliméter vastagságig terjed. Ezek a hordozók alapvető platformként szolgálnak a félvezetőgyártásban, a mikroelektromechanikai rendszerekben (MEMS), a mikrofluidikai eszközökben és a fejlett csomagolási alkalmazásokban. A hagyományos szilícium ostyákkal ellentétben az üveglapkák egyedülálló optikai átlátszóságot, kiváló elektromos szigetelési tulajdonságokat és kivételes méretstabilitást kínálnak változó hőmérsékleteken.

A globális üveg ostya piac jelentős növekedést produkált, az iparági jelentések pedig az összetett éves növekedési rátát (CAGR) jelezték körülbelül 8-10% 2020 és 2025 között . Ezt a terjeszkedést a 2,5D és 3D integrált áramköri csomagolású interposerek iránti növekvő kereslet vezérli, ahol az üveglapkák döntő előnyt jelentenek a jelintegritás és a hőkezelés terén.

Üveglapkák gyártási folyamatai

Az üveglapkák gyártása számos kifinomult gyártási technikát foglal magában, amelyek mindegyike egyedi mérettűrések és felületminőségi követelmények elérésére van szabva.

Fusion Draw folyamat

A fúziós húzási módszer, amelyet olyan vállalatok vezettek be, mint a Corning, termel ultrasík üveglapok érintetlen felülettel olvadt üveg formázóéken átáramoltatásával. Ez a folyamat szükségtelenné teszi mindkét felület polírozását, így a 300 mm átmérőjű lapkákon 10 mikrométernél kisebb síksági tűrés érhető el. A kapott anyag felületi érdessége 1 nanométer RMS alatt van, így ideális fotolitográfiai alkalmazásokhoz.

Úszóüveg és polírozás

A hagyományos floatüveg eljárások, majd a kémiai-mechanikus polírozás (CMP) alternatív gyártási módot jelentenek. Bár ez a megközelítés további feldolgozási lépéseket igényel, nagyobb rugalmasságot tesz lehetővé az üvegösszetételben, és egyenletes vastagságot érhet el ±5 mikrométer a nagy formátumú hordozókon .

Lézeres vágás és élfeldolgozás

A formázást követően az üveglapokat precíziós lézervágással vagy karcolásnak vetik alá, hogy egyedi ostyákat hozzanak létre. Az élfeldolgozási technikák biztosítják a forgácsmentes éleket szabályozott ferdeszögekkel, ami kritikus a félvezetőgyártó berendezések automatizált kezeléséhez. A modern rendszerek az élminőségi előírásokat 0,1 hiba/lineáris centiméter alatti hibasűrűséggel érik el.

Anyagtulajdonságok és összetétel

Az üveg ostyák azok engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Kritikus teljesítményparaméterek

• Hőtágulási együttható (CTE): A CTE szilíciumhoz való illesztése (2,6 ppm/°C) minimálisra csökkenti a feszültséget a termikus feldolgozási ciklusok során, megakadályozva a vetemedést és a rétegvesztést
• Elektromos tulajdonságok: A 10^14 ohm-cm-t meghaladó térfogat-ellenállás kiváló szigetelést biztosít a nagyfrekvenciás jeltovábbításhoz
• Optikai átvitel: A látható hullámhosszak 90%-nál nagyobb átlátszósága lehetővé teszi a hordozón keresztüli igazítást és a hátoldali feldolgozást
• Kémiai tartósság: A savakkal, bázisokkal és szerves oldószerekkel szembeni ellenállás biztosítja a félvezető-feldolgozási kémiával való kompatibilitást

Kulcsfontosságú alkalmazások a modern elektronikában

Speciális csomagolás és interposers

Az üveg közbeiktatók megjelentek a játékmódosító technológia nagy teljesítményű számítástechnikai alkalmazásokhoz . Az Intel, a TSMC és más jelentős öntödék jelentős beruházásokat hajtanak végre az üveghordozó technológiába a chiplet-integráció érdekében. Az üveg lehetővé teszi akár 10 mikrométer átmérőjű, akár 40 mikrométeres átmérőjű átmenő üvegek (TGV) kialakítását is. az összekapcsolási sűrűség 10-szer nagyobb, mint a szerves hordozóknál .

Az adatközponti processzorokban az üveg interposerek körülbelül 30-40%-kal csökkentik a jelveszteséget a hagyományos anyagokhoz képest 50 GHz feletti frekvencián. Ez a fejlesztés közvetlenül az AI-gyorsítók és a nagy sávszélességű memória (HBM) interfészek energiahatékonyságának és sávszélességének növelését jelenti.

MEMS és érzékelő eszközök

Az üveglapkák ideális hordozót biztosítanak a mikrofluidikus lab-on-chip eszközökhöz, nyomásérzékelőkhöz és optikai MEMS-ekhez. Az anyag biokompatibilitása, kémiai tehetetlensége és optikai átlátszósága különösen értékessé teszi az orvosi diagnosztikai alkalmazásokban. A vérelemző chipeket gyártó cégek rutinszerűen a boroszilikát üveglapokat adják meg felületi síksági tűrés 2 mikrométer alatti teljes vastagságváltozás (TTV) .

Megjelenítési technológiák

A folyadékkristályos kijelzőkhöz (LCD-k) és OLED-panelekhez való vékonyréteg-tranzisztor (TFT) tömbök nagy formátumú üveghordozókat használnak, a 10.5-ös generációs fabs pedig 2940 mm × 3370 mm méretű üveglapokat dolgoz fel. Az iparág figyelemre méltó gazdaságosságot ért el: a hordozóköltségek négyzetméterenként 0,50 dollár alá csökkentek az árukijelző alkalmazások esetében, miközben a felületi hibákra és a méretszabályozásra vonatkozóan szigorú előírásokat tartottak fenn.

Előnyök a szilícium ostyákkal szemben

Míg a szilícium továbbra is a domináns félvezető hordozó, az üveglapkák lenyűgöző előnyöket kínálnak bizonyos alkalmazásokhoz:

1. Alsó jelvesztés: A 0,003-0,005 közötti dielektromos veszteség érintő értékei kiváló rádiófrekvenciás (RF) teljesítményt tesznek lehetővé milliméterhullámú kommunikációs áramkörökben
2. Nagyobb aljzatméretek: Az üveggyártási technológia könnyen méretezhető 510 mm × 515 mm-es téglalap formátumra, túllépve a kör alakú szilícium lapkák gyakorlati korlátait
3. Költséghatékonyság: Interposer alkalmazásoknál az üveghordozók 40-60%-kal olcsóbbak lehetnek, mint a megfelelő szilíciumhordozók, miközben összehasonlítható vagy jobb elektromos teljesítményt nyújtanak
4. Tervezési rugalmasság: Az üvegben lévő TGV-k nagyobb képarányokkal (10:1-et meghaladó mélység-átmérő arány) alakíthatók ki az átmenő szilícium átmenőkkel összehasonlítva, ami kompaktabb 3D architektúrákat tesz lehetővé
5. Optikai hozzáférés: Az infravörös és a látható fény áteresztése lehetővé teszi a hátoldali igazítást, az ellenőrzést és a feldolgozási technikákat, amelyek lehetetlenek az átlátszatlan szilíciummal

Kihívások és megoldások feldolgozása

Formation Technologies segítségével

Az üvegen áthaladó nyílások létrehozása egyedülálló technikai kihívásokat jelent. Három elsődleges módszer dominál a jelenlegi gyártásban:

• Lézeres fúrás: Az ultragyors pikoszekundumos vagy femtoszekundumos lézerek minimális hőhatású zónákkal távolítják el az anyagokat, így 100-500 átmérőjű képződési sebességet érnek el másodpercenként 10-100 mikrométer átmérővel.
• Nedves maratás: A hidrogén-fluorsav alapú kémia kiváló oldalfal simaságot biztosít nagyobb átmenőnyílások esetén, a maratási sebesség ±5%-os pontossággal szabályozható az ostya tételekben
• Száraz maratás: A plazma alapú reaktív ionmaratás anizotróp profilokat kínál a függőleges oldalfalakat igénylő alkalmazásokhoz, bár az áteresztőképesség alacsonyabb marad, mint a lézeres módszerek

Fémezés és ragasztás

Vezetőképes rétegek üvegre történő lerakása gondos folyamatoptimalizálást igényel. A titán vagy króm adhéziós rétegek fizikai gőzfázisú leválasztása (PVD), majd a réz magvak leválasztása lehetővé teszi a későbbi galvanizálást a TGV-k kitöltéséhez. A fejlett létesítmények elérése 99,5%-ot meghaladó töltési hozam 50 milliohm/átmenet alatti elektromos ellenállás mellett .

Az üveghez adaptált ostyaragasztási technológiák magukban foglalják az anódos kötést, a fúziós kötést és a ragasztós kötést, amelyek mindegyike megfelel a különböző hőköltség- és hermetikussági követelményeknek. A boroszilikát üveg szilícium anódos kötése 20 MPa feletti kötési szilárdságot ér el, 0,01% alatti üregsűrűség mellett.

Iparági kilátások és jövőbeli fejlemények

Az üvegostya-ipar olyan inflexiós ponton áll, amelyet számos közeledő trend vezérel. Az Intel bejelentése a fejlett csomagoláshoz használható üveghordozókról, amelyek megvalósítását célozzák a 2030 időkeret a következő generációs processzorok számára , több éves kutatás-fejlesztési befektetést érvényesít.

Piaci elemzők előrejelzése szerint a fejlett csomagolási szegmens önmagában 2028-ra évente több mint 2 milliárd dollár értékű üveglapát fog fogyasztani. Ez a növekedés a mesterséges intelligencia, az autonóm járművek és az élvonalbeli számítástechnikai alkalmazások terén a számítási teljesítmény iránti kielégíthetetlen keresletből adódik, ahol az üveg elektromos előnyei egyre kritikusabbá válnak.

Feltörekvő alkalmazások

• Fotonika integráció: A beágyazott optikai hullámvezetőkkel ellátott üveglapkák lehetővé teszik a fotonikus és elektronikus áramkörök együttes csomagolását a terabit/másodperces adatátviteli sebességgel működő optikai összeköttetésekhez
• Kvantum számítástechnika: A speciális üvegek alacsony dielektromos vesztesége és hőstabilitása vonzó szubsztrátummá teszi őket szupravezető qubit tömbök számára
• Rugalmas elektronika: Az ultravékony üveglapkák (30 mikrométer vastagságig) mechanikailag rugalmas, de kémiailag robusztus hordozót biztosítanak a hajlítható kijelzők és a hordható érzékelők számára

A SEMI-hez hasonló szervezeteken keresztüli szabványosítási erőfeszítések előírják az üveglapka méretére, síkossági tűrésére és anyagtulajdonságaira vonatkozó előírásokat. Ezek a szabványok felgyorsítják az elfogadást azáltal, hogy csökkentik a műszaki kockázatokat, és lehetővé teszik a több forrásból származó ellátási láncok létrehozását a nagy volumenű gyártáshoz.