Optische Wafer: Auswahlhilfe für Glas, Quarz und Saphir für Käufer

Ein optischer Wafer ist eine dünne, parallelseitige Platte aus Glas, Quarzglas oder Saphir, die geläppt und poliert wurde, bis beide Flächen den Toleranzen für Dicke, Ebenheit und Oberflächenqualität im Mikrometerbereich entsprechen. Es befindet sich an der Vorderseite des Aufbaus für Bildsensoren, Filterstapel, Wellenleiter und optische Arrays auf Waferebene, wo ein paar Mikrometer Gesamtdickenabweichung den Fokus verschieben, eine Wellenfront verzerren oder dazu führen können, dass eine Beschichtung außerhalb der Spezifikation liegt.

Die meisten Projekte fallen in diese Kategorie und sind mit drei Fragen verbunden: Welches Material, welche Toleranzen und welcher Lieferant kann diese Toleranzen über einen Produktionslauf hinweg einhalten, statt nur für ein einzelnes poliertes Muster. Die folgenden Abschnitte folgen dieser Reihenfolge.

Was genau als optischer Wafer gilt

Im Einkaufsbegriff ist ein optischer Wafer ein blankes oder beschichtetes optisches Substrat, das in einem runden, quadratischen oder benutzerdefinierten Konturformat geliefert wird, wobei die Maß- und Oberflächenanforderungen auf der Zeichnung angegeben sind und nicht durch einen Materialnamen impliziert werden.

Diese Unterscheidung verändert Zitate. Ein optisches Fenster ist normalerweise dicker, wird oft in einen Rahmen montiert und als fertiges Teil verkauft. Ein Wafer ist dünner, wird in Kassetten oder Gelpacks gehandhabt und durchläuft häufig nachgelagerte Schritte wie Beschichten, Bonden, Dicing oder Lithographie. Lieferanten, die Fenster gut bearbeiten, halten nicht automatisch Wafertoleranzen ein, da sich dünne Teile unter dem Polierdruck verbiegen und schnell an Ebenheit verlieren.

• Runde Waffeln. 25 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm und 200 mm Durchmesser, passend zu den Trägerformaten, die in Sensor- und photonischen Prozesslinien verwendet werden.
• Quadratische und rechteckige Platten. Bis zu etwa 300 mm auf einer Seite, üblich bei Display-, Beleuchtungs- und Wafer-Level-Optikformarbeiten.
• Individuelle Konturen. Schlitze, Löcher, abgestufte Kanten und nicht kreisförmige Umrisse, die für mechanische Ausrichtung oder Flüssigkeitspfade innerhalb einer Baugruppe sorgen.

Optische Wafer aus Glas, Quarz und Saphir im Vergleich

Wählen Sie das Material zuerst nach Wellenlängenband, dann nach der thermischen und mechanischen Umgebung und dann nach Kosten.

Saphir verdient seinen Preis in Infrarot- und abrasiven Umgebungen, nicht im sichtbaren Bereich. Wenn ein System zwischen 400 nm und 1000 nm arbeitet, nie einen Temperaturzyklus über 150 °C durchläuft und nicht aggressiven Reinraumchemikalien ausgesetzt ist, leisten Glas oder Quarz in der Regel die gleiche optische Aufgabe zu einem weitaus geringeren Preis. Saphir wird zur günstigeren Option, sobald ein zerkratztes oder geätztes Fenster eine Produktionslinie stoppt.

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Spezifikationen, die vor der Bestellung festgelegt werden müssen

Fünf Zahlen entscheiden darüber, ob sich ein Wafer in Ihrem System verhält: Dicke, Dickentoleranz, Gesamtdickenschwankung, Ebenheit und Oberflächenrauheit, dicht gefolgt von Scratch-Dig.

1. Dicke und Toleranz. Kommerzielle Arbeiten erfolgen mit /- 0,05 mm, die Präzision liegt bei /- 0,025 mm und Kleinteile können auf /- 0,01 mm gehalten werden.
2. Gesamtdickenvariation. Die Lücke zwischen der dicksten und dünnsten Stelle. Es fördert Wellenfrontfehler, Beschichtungsgleichmäßigkeit und Fokusverschiebung über ein Array auf Waferebene.
3. Ebenheit. Wird in Wellen bei 633 nm gemeldet, wobei eine Viertelwelle einer Abweichung von etwa 158 nm entspricht. Geben Sie immer die Messblende an, denn ein Wert über 80 Prozent des Durchmessers ist eine schwächere Aussage als eine Zahl mit voller Blende.
4. Oberflächenrauheit. Ra legt die Streu- und Laserschadensschwelle fest. Standardpolierflächen erreichen etwa 0,5 nm; Superpolierte Oberflächen erreichen bei längeren Zyklen 0,2 nm und weniger.
5. Scratch-Dig. Beschriftungen wie 60/40, 40/20 oder 10/5 definieren zulässige Kratzer und Vertiefungen. Das Anziehen von 40/20 auf 10/5 kostet oft mehr als das Anziehen der Dickentoleranz.
6. Parallelität, Kante und Beschichtung. Keile sind wichtig für Etalons und Strahlteiler, Kantenspäne sind wichtig für die Kassettenhandhabung und die Haftung der Beschichtung ist wichtig für alles, was wiederholt gereinigt wird.

Wie optische Wafer hergestellt werden

Jeder Wafer durchläuft die Materialvorbereitung, die Formgebung, das Läppen, das Polieren, die Reinigung und die Messtechnik, und jeder Schritt kann nur das entfernen, was der vorherige Schritt mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit hinterlassen hat.

1. Materialvorbereitung. Glasscheiben, Quarzbarren oder Saphirkristalle werden in Rohlinge geschnitten oder entkernt. Der Glühzustand und die innere Spannung werden vor der Bearbeitung bestätigt, da die später freigesetzte Spannung als Verformung sichtbar wird.
2. Gestaltung. Kernbohren, CNC-Konturierung oder Laserschneiden erzeugen den Umriss und lassen Material zum Läppen übrig. In dieser Phase werden Löcher und Schlitze geschnitten.
3. Läppen und Feinschleifen. Beseitigt Sägeschäden und stellt Parallelität her. Der Materialabtrag pro Seite hängt von der Teilegröße ab und kann 100 Mikrometer überschreiten.
4. Polieren. Pech- oder Pad-Polieren, ein- oder doppelseitig, stellt Ebenheit und Rauheit ein. Eine Charge kann stundenlang laufen und die Konstruktion der Vorrichtung ist oft wichtiger als die Gülle.
5. Reinigung. Ultraschall- und Reinigungsmittelstufen, entionisiertes Spülen und kontrollierte Trocknung verhindern Wasserflecken und Rückstände, die später zu einem Beschichtungsfehler werden.
6. Metrologie. Interferometrie für Ebenheit, Weißlicht- oder Stiftinstrumente für Rauheit, Spektrophotometrie für Transmission und Mikroskopie für Kratzer und Kantensplitter.
7. Verpackung. Reinraumverpackung, Waferträger und Kantenschutz entscheiden darüber, ob ein guter Wafer in brauchbarem Zustand ankommt.

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Wo optische Wafer verwendet werden

Optische Wafer tauchen überall dort auf, wo ein Gerät eine flache, stabile und transparente Basisschicht benötigt: Bildsensoren, LiDAR-Pfade, Halbleiterprozesswerkzeuge, Infrarotfenster sowie Anzeige- oder Beleuchtungssysteme.

Glaswafer eignen sich für die unterschiedlichsten Volumenanwendungen, von Kameramodulen und Berührungssensoren bis hin zu Beleuchtungsdiffusoren und mikrofluidischen Trägern, da das Material kostengünstig ist und der Polierprozess gut etabliert ist.

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Überlegungen zu Beschaffung, Qualität und Lieferung

Qualifizieren Sie den Prozess und nicht die Broschüre: Fragen Sie nach Fähigkeitsdaten zu der genauen Material-, Format- und Toleranzkombination, die Sie kaufen, und betrachten Sie Zertifikate als Grundlage und nicht als Beweis.

Bei der Dokumentation sind ISO 9001 und ISO 14001 die übliche Grundlage, und IATF 16949 wird relevant, wenn der Wafer ein Automobilprogramm speist. Käufer von Medizin- und Halbleiterprodukten fügen normalerweise RoHS- und REACH-Erklärungen sowie eine Sauberkeitserklärung hinzu. Auch die Vorlaufzeit richtet sich nach der Toleranz: Runde Standardwafer aus Glas und Quarz werden in der Regel in zwei bis drei Wochen ausgeliefert, während kundenspezifische Konturen mit Schlitzen oder Löchern und Erstmustergenehmigung in der Regel fünf bis acht Wochen dauern.

Wenn die Zeichnung noch geöffnet ist, Senden Sie Material, Format und Zieltoleranzen an das Engineering-Team und bitten Sie um eine Leistungserklärung für jede Zeile, bevor Sie die Bestellung aufgeben.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einem optischen Wafer und einem optischen Fenster?

Ein Wafer ist dünn, normalerweise weniger als 3 mm, wird in Kassetten gehandhabt und als Basisschicht für die weitere Geräteverarbeitung verwendet. Ein Fenster ist dicker, normalerweise in einem Rahmen oder Gehäuse montiert und als fertiges durchlässiges oder schützendes Teil verkauft. Beide können die gleichen Materialien und ähnliche Oberflächenveredelungen verwenden.

Welche Größen und Stärken sind realistisch?

Runde Wafer haben einen Durchmesser von 25 mm bis 200 mm und quadratische Platten erreichen eine Seitenlänge von etwa 300 mm. Die Dicke hängt vom Material ab: Glas und Saphir liegen typischerweise zwischen 0,3 mm und 3 mm, während Quarz für strukturelle Zwecke dicker sein kann. Unter 0,3 mm sind Biegung, Kantenabsplitterung und Handhabung die begrenzenden Faktoren und nicht das Polieren.

Wie wähle ich zwischen Glas, Quarz und Saphir?

Beginnen Sie mit dem Wellenlängenband, fügen Sie dann die thermische und mechanische Umgebung hinzu und wenden Sie dann die Kosten an. Glas deckt den sichtbaren Bereich wirtschaftlich ab, Quarzglas erstreckt sich bis ins Ultraviolett und behält seine Form durch thermische Wechselwirkungen, und Saphir deckt den Infrarotbereich sowie abrasive oder chemisch aggressive Umgebungen ab.

Welche Ebenheit kann ein Lieferant in der Serienproduktion einhalten?

Bei 50 mm bis 100 mm großen Teilen aus Glas oder Quarz ist eine Viertelwelle bei 633 nm ein Routineziel für einen erfahrenen Polierer, und eine Zehntelwelle ist bei ausgewählten Teilen auf Kosten längerer Zyklen und geringerer Ausbeute erreichbar. Fragen Sie nach der Verteilung über eine Charge statt nach dem besten Einzelergebnis.