Teknologi Wafer Kaca: Aplikasi, Pembuatan & Hartanah Utama

Apakah Wafer Kaca dan Mengapa Ia Penting

Wafer kaca adalah substrat nipis kejuruteraan ketepatan yang diperbuat daripada bahan kaca khusus , biasanya antara 100 mikrometer hingga beberapa milimeter dalam ketebalan. Substrat ini berfungsi sebagai platform asas dalam pembuatan semikonduktor, sistem mikroelektromekanikal (MEMS), peranti mikrobendalir dan aplikasi pembungkusan lanjutan. Tidak seperti wafer silikon tradisional, wafer kaca menawarkan ketelusan optik yang unik, sifat penebat elektrik yang unggul, dan kestabilan dimensi yang luar biasa merentas suhu yang berbeza-beza.

global wafer kaca pasaran telah mengalami pertumbuhan yang ketara, dengan laporan industri menunjukkan kadar pertumbuhan tahunan kompaun (CAGR) sebanyak kira-kira 8-10% antara 2020 dan 2025 . Pengembangan ini didorong oleh peningkatan permintaan untuk penyambung dalam pembungkusan litar bersepadu 2.5D dan 3D, di mana wafer kaca memberikan kelebihan penting dalam integriti isyarat dan pengurusan terma.

Proses Pengilangan untuk Wafer Kaca

Pengeluaran wafer kaca melibatkan beberapa teknik pembuatan yang canggih, setiap satu disesuaikan untuk mencapai toleransi dimensi tertentu dan keperluan kualiti permukaan.

Proses Cabutan Gabungan

Kaedah cabutan gabungan, yang dipelopori oleh syarikat seperti Corning, menghasilkan kepingan kaca ultra-rata dengan permukaan yang bersih dengan mengalirkan kaca cair ke atas baji yang terbentuk. Proses ini menghilangkan keperluan untuk menggilap pada kedua-dua permukaan, mencapai toleransi kerataan kurang daripada 10 mikrometer merentas wafer diameter 300mm. Bahan yang terhasil mempamerkan nilai kekasaran permukaan di bawah 1 nanometer RMS, menjadikannya sesuai untuk aplikasi fotolitografi.

Kaca Terapung dan Menggilap

Proses kaca apungan tradisional diikuti dengan penggilap mekanikal-kimia (CMP) mewakili laluan pembuatan alternatif. Walaupun pendekatan ini memerlukan langkah pemprosesan tambahan, ia membolehkan fleksibiliti yang lebih besar dalam komposisi kaca dan boleh mencapai keseragaman ketebalan ±5 mikrometer merentas substrat format besar .

Pemotongan Laser dan Pemprosesan Tepi

Setelah terbentuk, kepingan kaca menjalani pemotongan laser ketepatan atau scribing untuk membuat wafer individu. Teknik pemprosesan tepi memastikan tepi bebas cip dengan sudut serong terkawal, kritikal untuk pengendalian automatik dalam peralatan fabrikasi semikonduktor. Sistem moden mencapai spesifikasi kualiti kelebihan dengan ketumpatan kecacatan di bawah 0.1 kecacatan setiap sentimeter linear.

Sifat dan Komposisi Bahan

Wafer kaca adalah engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

Parameter Prestasi Kritikal

• Pekali Pengembangan Terma (CTE): Memadankan CTE kepada silikon (2.6 ppm/°C) meminimumkan tekanan semasa kitaran pemprosesan terma, mencegah lengkungan dan penepian
• Sifat Elektrik: Rintangan volum melebihi 10^14 ohm-cm menyediakan penebat yang sangat baik untuk penghalaan isyarat frekuensi tinggi
• Penghantaran Optik: Ketelusan lebih daripada 90% dalam panjang gelombang yang boleh dilihat membolehkan penjajaran melalui substrat dan pemprosesan bahagian belakang
• Ketahanan Kimia: Rintangan kepada asid, bes dan pelarut organik memastikan keserasian dengan kimia pemprosesan semikonduktor

Aplikasi Utama dalam Elektronik Moden

Pembungkusan Termaju dan Interposers

Interposers kaca telah muncul sebagai a teknologi mengubah permainan untuk aplikasi pengkomputeran berprestasi tinggi . Intel, TSMC, dan faundri utama lain melabur banyak dalam teknologi substrat kaca untuk penyepaduan ciplet. Kaca membolehkan vias melalui kaca (TGV) dengan diameter sekecil 10 mikrometer dan pic ke bawah hingga 40 mikrometer, mencapai ketumpatan interconnect 10 kali lebih tinggi daripada substrat organik .

Dalam pemproses pusat data, interposer kaca menunjukkan pengurangan kehilangan isyarat kira-kira 30-40% berbanding bahan tradisional pada frekuensi melebihi 50 GHz. Penambahbaikan ini diterjemahkan secara langsung kepada kecekapan kuasa yang dipertingkatkan dan peningkatan lebar jalur untuk pemecut AI dan antara muka memori lebar jalur tinggi (HBM).

MEMS dan Peranti Sensor

Wafer kaca menyediakan substrat yang ideal untuk peranti makmal mikrobendalir pada cip, penderia tekanan dan MEMS optikal. Kebolehserasian bio bahan, lengai kimia dan ketelusan optik menjadikannya sangat berharga untuk aplikasi diagnostik perubatan. Syarikat yang mengeluarkan cip analisis darah secara rutin menetapkan wafer kaca borosilikat dengan toleransi kerataan permukaan di bawah 2 mikrometer jumlah variasi ketebalan (TTV) .

Teknologi Paparan

Tatasusunan transistor filem nipis (TFT) untuk paparan kristal cecair (LCD) dan panel OLED menggunakan substrat kaca format besar, dengan helaian kaca pemprosesan Generasi 10.5 fab berukuran 2940mm × 3370mm. Industri ini telah mencapai ekonomi yang luar biasa, dengan kos substrat menurun kepada kurang daripada $0.50 setiap kaki persegi untuk aplikasi paparan komoditi sambil mengekalkan spesifikasi yang ketat untuk kecacatan permukaan dan kawalan dimensi.

Kelebihan Berbanding Wafer Silikon

Walaupun silikon kekal sebagai substrat semikonduktor yang dominan, wafer kaca menawarkan kelebihan yang menarik untuk aplikasi tertentu:

1. Kehilangan Isyarat Rendah: Nilai tangen kehilangan dielektrik 0.003-0.005 membolehkan prestasi frekuensi radio (RF) unggul dalam litar komunikasi gelombang milimeter
2. Saiz substrat yang lebih besar: Teknologi pembuatan kaca mudah berskala kepada format segi empat tepat 510mm × 515mm, melebihi had praktikal wafer silikon bulat
3. Kecekapan Kos: Untuk aplikasi interposer, substrat kaca boleh menelan kos 40-60% kurang daripada pembawa silikon yang setara sambil memberikan prestasi elektrik yang setanding atau lebih baik
4. Fleksibiliti Reka Bentuk: TGV dalam kaca boleh dibentuk dengan nisbah aspek yang lebih tinggi (nisbah kedalaman hingga diameter melebihi 10:1) berbanding vias melalui silikon, membolehkan seni bina 3D yang lebih padat
5. Akses Optik: Penghantaran cahaya inframerah dan boleh dilihat membenarkan penjajaran bahagian belakang, pemeriksaan dan teknik pemprosesan mustahil dengan silikon legap

Memproses Cabaran dan Penyelesaian

Melalui Teknologi Pembentukan

Mencipta vias melalui kaca memberikan cabaran teknikal yang unik. Tiga kaedah utama menguasai pembuatan semasa:

• Penggerudian Laser: Bahan laser picosecond atau femtosecond ultra pantas dengan zon terjejas haba yang minimum, mencapai melalui kadar pembentukan 100-500 vias sesaat dengan diameter dari 10-100 mikrometer
• Goresan Basah: Kimia berasaskan asid hidrofluorik memberikan kelancaran dinding sisi yang sangat baik untuk vias yang lebih besar, dengan kadar goresan boleh dikawal hingga dalam ±5% merentas kelompok wafer
• Goresan Kering: Etsa ion reaktif berasaskan plasma menawarkan profil anisotropik untuk aplikasi yang memerlukan dinding sisi menegak, walaupun daya pemprosesan kekal lebih rendah daripada kaedah laser

Metalisasi dan Ikatan

Mendepositkan lapisan konduktif pada kaca memerlukan pengoptimuman proses yang teliti. Pemendapan wap fizikal (PVD) lapisan lekatan titanium atau kromium diikuti dengan pemendapan biji kuprum membolehkan penyaduran elektrik berikutnya untuk mengisi TGV. Kemudahan canggih dicapai melalui hasil isian melebihi 99.5% dengan rintangan elektrik di bawah 50 miliohm setiap melalui .

Teknologi ikatan wafer yang disesuaikan untuk kaca termasuk ikatan anodik, ikatan gabungan dan ikatan pelekat, masing-masing sesuai dengan keperluan anggaran terma dan hermetik yang berbeza. Ikatan anodik kaca borosilikat kepada silikon mencapai kekuatan ikatan melebihi 20 MPa dengan ketumpatan lompang antara muka di bawah 0.01%.

Tinjauan Industri dan Perkembangan Masa Depan

Industri wafer kaca berdiri pada titik infleksi yang didorong oleh beberapa aliran menumpu. Pengumuman Intel mengenai substrat kaca untuk pembungkusan lanjutan, menyasarkan pelaksanaan dalam Jangka masa 2030 untuk pemproses generasi akan datang , mengesahkan tahun pelaburan penyelidikan dan pembangunan.

Penganalisis pasaran mengunjurkan segmen pembungkusan lanjutan sahaja akan menggunakan wafer kaca yang bernilai lebih $2 bilion setiap tahun menjelang 2028. Pertumbuhan ini berpunca daripada permintaan yang tidak pernah puas untuk prestasi pengkomputeran dalam kecerdasan buatan, kenderaan autonomi dan aplikasi pengkomputeran tepi di mana kelebihan elektrik kaca menjadi semakin kritikal.

Aplikasi Muncul

• Integrasi Fotonik: Wafer kaca dengan pandu gelombang optik terbenam membolehkan pembungkusan bersama litar fotonik dan elektronik untuk sambung optik yang beroperasi pada kadar data terabit sesaat
• Pengkomputeran Kuantum: Kehilangan dielektrik yang rendah dan kestabilan terma gelas khusus menjadikannya substrat yang menarik untuk tatasusunan qubit superkonduktor
• Elektronik Fleksibel: Wafer kaca ultra nipis (hingga 30 mikrometer ketebalan) menyediakan substrat yang fleksibel secara mekanikal tetapi teguh dari segi kimia untuk paparan boleh dibengkokkan dan penderia boleh pakai

Usaha penyeragaman melalui organisasi seperti SEMI sedang menetapkan spesifikasi untuk dimensi wafer kaca, toleransi kerataan dan sifat bahan. Piawaian ini akan mempercepatkan penggunaan dengan mengurangkan risiko teknikal dan membolehkan rantaian bekalan berbilang sumber untuk pembuatan volum tinggi.