Plaquettes optiques en quartz et en verre : explication des principales différences

Pour la plupart des applications de plaquettes optiques, le quartz surpasse le verre standard. Offre de plaquettes optiques à quartz transmission UV supérieure (jusqu'à 150 nm), coefficient de dilatation thermique inférieur (0,55 x 10-6/K) et pureté supérieure , ce qui en fait le substrat préféré en lithographie de semi-conducteurs, en optique UV profond et en photonique de précision. Les plaquettes de verre restent cependant un choix rentable et pratique où la transparence aux UV et la stabilité thermique ne sont pas des exigences critiques.

Que sont les plaquettes optiques

Plaquettes optiques sont des substrats minces et plats fabriqués selon des tolérances géométriques et de surface strictes, utilisés comme base pour les composants optiques, les photomasques, les capteurs et les dispositifs photoniques intégrés. Ils diffèrent des plaquettes semi-conductrices de qualité électronique principalement par le fait que leurs propriétés optiques, telles que la transmission, l'homogénéité et l'uniformité de l'indice de réfraction, sont aussi importantes que leurs propriétés mécaniques.

Les deux familles de matériaux dominantes sont le quartz (silice fondue ou quartz cristallin) et les diverses formes de verre (borosilicate, aluminosilicate et sodocalcique). Chacun présente un ensemble distinct de caractéristiques optiques, thermiques et mécaniques qui déterminent son adéquation à une application donnée.

Principales différences matérielles entre le quartz et le verre

Comprendre les différences structurelles entre le quartz et le verre explique pourquoi ils fonctionnent différemment en tant que substrats de tranches optiques.

Composition et structure

La silice fondue (la forme la plus courante de plaquette de quartz de qualité optique) est composée de dioxyde de silicium (SiO2) presque pur avec des niveaux d'impuretés inférieurs à 1 ppm. Le quartz cristallin est également du SiO2 mais dans un réseau ordonné. Le verre, en revanche, est un mélange amorphe de SiO2 avec des modificateurs tels que l'oxyde de bore (B2O3), l'oxyde de sodium (Na2O) ou l'oxyde d'aluminium (Al2O3), qui ajustent la traitabilité et le coût mais introduisent des compromis optiques et thermiques.

Portée de transmission optique

C’est sans doute le différenciateur le plus important. La silice fondue transmet la lumière d'environ 150 nm (UV profond) à 3 500 nm (infrarouge moyen) , couvrant une fenêtre spectrale beaucoup plus large que la plupart des types de verre. Le verre borosilicaté standard transmet généralement entre 300 nm et 2 500 nm environ, coupant dans la région UV où fonctionnent de nombreuses applications de photolithographie et de fluorescence. Pour la lithographie laser excimère ArF à 193 nm ou les procédés KrF à 248 nm, la silice fondue est essentiellement obligatoire.

Comportement de dilatation thermique

La stabilité thermique dans des conditions de cyclage détermine dans quelle mesure une tranche conserve sa précision dimensionnelle. La silice fondue a un coefficient de dilatation thermique (CTE) d'environ 0,55 x 10-6/K , contre 3,3 x 10-6/K pour le verre borosilicaté et jusqu'à 9 x 10-6/K pour le verre sodocalcique. En termes de précision de superposition lithographique, une différence CTE même de 1 x 10-6/K sur une tranche de 300 mm peut produire des erreurs de position de plusieurs centaines de nanomètres, ce qui est inacceptable dans la fabrication avancée de nœuds.

Comparaison côte à côte : plaquettes optiques en quartz et en verre

Le tableau ci-dessous résume les principaux paramètres de performances de la silice fondue (quartz) par rapport au verre borosilicaté, les deux matériaux de tranche optique les plus largement utilisés dans la pratique.

Là où les plaquettes optiques à quartz excellent

Les plaquettes optiques en quartz constituent le substrat de choix dans les applications photoniques et semi-conductrices exigeantes où la précision et la plage spectrale ne peuvent être compromises.

Substrats de photolithographie et de photomasque

Dans la fabrication de semi-conducteurs, les photomasques doivent transmettre des longueurs d’onde d’exposition avec une absorption proche de zéro et maintenir une stabilité dimensionnelle tout au long des cycles thermiques. La silice fondue est le seul matériau pratique pour la lithographie par immersion à 193 nm et les applications de pellicules et de masques vierges liées à l'EUV. Une ébauche de photomasque carré de 6 pouces en silice fondue doit répondre à des spécifications de planéité inférieures à 500 nm sur toute la surface, ce qu'un substrat de verre standard ne peut pas atteindre de manière fiable après une exposition thermique répétée.

Instrumentation de fluorescence et de spectroscopie

De nombreux fluorophores biologiques et marqueurs analytiques sont excités dans la gamme UV de 200 à 280 nm. Les cellules à circulation de quartz, les cuvettes et les puces microfluidiques sur tranche utilisées en spectroscopie UV-Vis nécessitent des substrats qui n'absorbent pas ou n'autofluorent pas dans cette plage. Le verre borosilicaté présente une autofluorescence significative lorsqu'il est excité en dessous de 350 nm , qui introduit un bruit de fond dans les configurations de détection d'une seule molécule. Le quartz réduit ce bruit de fond d'un ordre de grandeur dans de nombreux systèmes.

Optique laser haute puissance

La silice fondue a un seuil de dommages induits par le laser (LIDT) nettement supérieur à celui du verre pour les lasers UV pulsés. Pour des durées d'impulsion nanosecondes à 355 nm, les valeurs LIDT de silice fondue peuvent atteindre 20 à 30 J/cm2, contre moins de 5 J/cm2 pour de nombreux types de verre optique. Cela fait des tranches de quartz le substrat standard pour les optiques de mise en forme de faisceau, les réseaux de diffraction et les étalons dans les systèmes laser.

Fabrication de MEMS et de capteurs

Le quartz cristallin, distinct de la silice fondue, présente des propriétés piézoélectriques qui le rendent particulièrement précieux dans la fabrication de résonateurs et de dispositifs de synchronisation. Les tranches de quartz taillées AT sont utilisées pour produire des oscillateurs avec des stabilités de fréquence de l'ordre de quelques parties par milliard à température ambiante, qu'aucun substrat en verre ne peut reproduire en raison de l'absence de réponse piézoélectrique.

Où les plaquettes optiques en verre sont le meilleur choix

Les plaquettes de verre ne sont pas simplement des alternatives inférieures. Dans plusieurs catégories d’applications, ils offrent des avantages pratiques qui en font le choix le plus rationnel.

• Optique d’affichage et d’imagerie en lumière visible : Pour les applications fonctionnant entièrement dans la plage visible de 400 à 700 nm, le verre borosilicaté offre une transmission adéquate avec un coût de substrat bien inférieur. Les réseaux de microlentilles sur tranches, les substrats de filtres colorés et le verre de fond de panier pour panneaux d'affichage utilisent généralement du verre pour cette raison.
• Microfluidique grand public et dispositifs de laboratoire sur puce : Lorsque l'exposition aux UV ne fait pas partie du flux de travail, les puces microfluidiques en verre coûtent 30 à 50 % de moins que les puces en quartz équivalentes avec des options de résistance chimique et de fonctionnalisation de surface comparables.
• Verre de protection du capteur d'image CMOS : De fines tranches de verre borosilicaté ou aluminosilicate servent de substrats de protection dans les boîtiers de capteurs d'images, où leur moindre coût et leur compatibilité avec les processus standard de découpage en dés et de liaison compensent le léger avantage du quartz en matière de transmission UV.
• Composants optiques prototypes et de faible volume : Pour les cycles de développement où les tolérances dimensionnelles sont modérées et où les performances UV ne sont pas testées, les plaquettes de verre réduisent considérablement le coût des matériaux sans compromettre la validation de la preuve de concept.

Normes de qualité de surface et de polissage

Les plaquettes optiques en quartz et en verre sont spécifiées selon des normes de qualité de surface qui régissent les valeurs de résistance aux rayures, la rugosité de la surface et la planéité. Cependant, le quartz et le verre se comportent différemment lors du polissage.

La silice fondue, en raison de sa dureté (dureté Knoop d'environ 615 kg/mm2), nécessite des cycles de polissage plus longs pour atteindre des valeurs de rugosité de surface inférieures à l'angström (Ra inférieur à 0,5 nm) nécessaires pour les applications de photomasques et d'étalons de précision. Le verre, étant plus tendre, peut atteindre plus rapidement des valeurs de rugosité comparables, mais est plus sujet aux dommages souterrains lors du rodage si les paramètres abrasifs ne sont pas soigneusement contrôlés.

Des spécifications de grattage de 10-5 ou mieux sont réalisables dans les deux matériaux dans des conditions contrôlées, mais le maintien de cette qualité grâce aux étapes de découpage, de nettoyage et de revêtement est généralement plus fiable avec le quartz en raison de sa plus grande dureté et de son inertie chimique.

Compatibilité chimique et traitement en salle blanche

Dans les environnements de salle blanche de semi-conducteurs, la compatibilité du substrat avec les produits chimiques humides, les processus plasma et les étapes de recuit à haute température est essentielle.

La silice fondue résiste à presque tous les acides, à l'exception de l'acide fluorhydrique et de l'acide phosphorique chaud, et survit aux processus thermiques jusqu'à environ 1 100 degrés C sans déformation. Les plaquettes de verre, selon leur composition, peuvent lessiver des ions alcalins dans certaines conditions chimiques humides, contaminant les bains de traitement ou introduisant des espèces dopantes indésirables à proximité des structures du dispositif. Par exemple, le verre sodocalcique libère des ions sodium dans les solutions alcalines chaudes, ce qui est incompatible avec les processus de nettoyage CMOS standard.

Le verre borosilicaté offre une résistance chimique nettement meilleure que le verre sodocalcique et est utilisé dans certaines applications MEMS et microfluidiques, mais il ne peut toujours pas rivaliser avec la silice fondue dans des environnements d'exposition aux photons UV profonds ou à haute température.

Comment choisir entre le quartz et le verre pour votre application de plaquette optique

Choisir le bon substrat revient à faire correspondre les propriétés du matériau aux exigences de l'application. Les critères de décision suivants aident à affiner le choix :

1. Vérifiez d'abord votre plage de longueurs d'onde. Si une partie de votre processus fonctionne en dessous de 300 nm, du quartz (silice fondue) est requis. Aucun substrat en verre n'offre une transmission UV fiable dans cette plage.
2. Évaluez les demandes de cycles thermiques. Si votre plaquette subit des variations de température supérieures à 50 degrés C pendant le traitement ou le fonctionnement, le CTE 6 fois inférieur de la silice fondue réduit considérablement les erreurs dimensionnelles induites thermiquement.
3. Évaluer les conditions d’exposition aux produits chimiques. Si le substrat entre en contact avec des solutions alcalines, HF ou des acides à haute température à des températures de processus supérieures à 80 degrés C, le quartz offre une résistance et une propreté ionique supérieures.
4. Considérez le budget par rapport au volume. Pour les applications où le verre est techniquement suffisant, les économies de coûts peuvent être de 40 à 70 pour cent par tranche. Pour les capteurs de longueur d'onde visible à grand volume ou les substrats liés à l'affichage, le verre représente un choix technique pratique.
5. Tenez compte de la piézoélectricité si nécessaire. Seul le quartz cristallin fournit la réponse piézoélectrique requise pour les résonateurs, oscillateurs et certains transducteurs MEMS. Ni la silice fondue ni le verre n'offrent cette propriété.

Conclusion

Les plaquettes optiques en quartz constituent le substrat techniquement supérieur pour la majorité des applications optiques et photoniques exigeantes. , en particulier là où la transparence aux UV, la stabilité dimensionnelle thermique, les seuils élevés de dommages laser ou la pureté chimique ne sont pas négociables. Les plaquettes optiques en verre restent un choix bien justifié dans les applications de longueur d'onde visible, sensibles au coût ou de moindre précision, où leurs caractéristiques de performance sont tout à fait adéquates. La décision ne porte pas sur quel matériau est universellement meilleur, mais sur quelles propriétés correspondent aux exigences spécifiques de l'application concernée.