Teknologi Wafer Kaca: Aplikasi, Manufaktur & Properti Utama

Apa Itu Wafer Kaca dan Mengapa Itu Penting

Wafer kaca adalah substrat tipis yang direkayasa secara presisi dan terbuat dari bahan kaca khusus , biasanya ketebalannya berkisar antara 100 mikrometer hingga beberapa milimeter. Substrat ini berfungsi sebagai platform dasar dalam manufaktur semikonduktor, sistem mikroelektromekanis (MEMS), perangkat mikrofluida, dan aplikasi pengemasan tingkat lanjut. Tidak seperti wafer silikon tradisional, wafer kaca menawarkan transparansi optik yang unik, sifat insulasi listrik yang unggul, dan stabilitas dimensi yang luar biasa pada berbagai suhu.

global wafer kaca pasar telah mengalami pertumbuhan yang signifikan, dengan laporan industri menunjukkan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) sebesar sekitar 8-10% antara tahun 2020 dan 2025 . Ekspansi ini didorong oleh meningkatnya permintaan interposer dalam kemasan sirkuit terpadu 2.5D dan 3D, di mana wafer kaca memberikan keuntungan penting dalam integritas sinyal dan manajemen termal.

Proses Pembuatan Wafer Kaca

Produksi wafer kaca melibatkan beberapa teknik manufaktur canggih, masing-masing dirancang untuk mencapai toleransi dimensi tertentu dan persyaratan kualitas permukaan.

Proses Penarikan Fusi

Metode fusion draw, yang dipelopori oleh perusahaan seperti Corning, menghasilkan lembaran kaca ultra datar dengan permukaan murni dengan mengalirkan kaca cair ke atas irisan pembentuk. Proses ini menghilangkan kebutuhan pemolesan pada kedua permukaan, sehingga mencapai toleransi kerataan kurang dari 10 mikrometer pada wafer berdiameter 300mm. Material yang dihasilkan menunjukkan nilai kekasaran permukaan di bawah 1 nanometer RMS, sehingga ideal untuk aplikasi fotolitografi.

Kaca Apung dan Poles

Proses kaca apung tradisional yang diikuti dengan pemolesan kimia-mekanis (CMP) merupakan jalur produksi alternatif. Meskipun pendekatan ini memerlukan langkah pemrosesan tambahan, pendekatan ini memungkinkan fleksibilitas yang lebih besar dalam komposisi kaca dan mencapai keseragaman ketebalan ±5 mikrometer pada media format besar .

Pemotongan Laser dan Pemrosesan Tepi

Setelah terbentuk, lembaran kaca menjalani pemotongan atau pemotongan laser secara presisi untuk membuat wafer individual. Teknik pemrosesan tepi memastikan tepi bebas chip dengan sudut kemiringan yang terkontrol, yang penting untuk penanganan otomatis pada peralatan fabrikasi semikonduktor. Sistem modern mencapai spesifikasi kualitas tepi dengan kepadatan cacat di bawah 0,1 cacat per sentimeter linier.

Sifat dan Komposisi Bahan

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

Parameter Kinerja Penting

• Koefisien Ekspansi Termal (CTE): Mencocokkan CTE dengan silikon (2,6 ppm/°C) meminimalkan tekanan selama siklus pemrosesan termal, mencegah lengkungan dan delaminasi
• Properti Listrik: Resistivitas volume yang melebihi 10^14 ohm-cm memberikan isolasi yang sangat baik untuk perutean sinyal frekuensi tinggi
• Transmisi Optik: Transparansi yang lebih besar dari 90% pada panjang gelombang terlihat memungkinkan penyelarasan melalui substrat dan pemrosesan bagian belakang
• Daya Tahan Kimia: Ketahanan terhadap asam, basa, dan pelarut organik memastikan kompatibilitas dengan kimia pemrosesan semikonduktor

Aplikasi Utama dalam Elektronik Modern

Pengemasan dan Interposer Tingkat Lanjut

Interposer kaca telah muncul sebagai teknologi pengubah permainan untuk aplikasi komputasi berkinerja tinggi . Intel, TSMC, dan perusahaan pengecoran logam besar lainnya berinvestasi besar-besaran dalam teknologi substrat kaca untuk integrasi chiplet. Kaca memungkinkan through-glass vias (TGVs) dengan diameter sekecil 10 mikrometer dan pitch hingga 40 mikrometer, mencapai kepadatan interkoneksi 10 kali lebih tinggi dari substrat organik .

Pada prosesor pusat data, interposer kaca menunjukkan pengurangan kehilangan sinyal sekitar 30-40% dibandingkan material tradisional pada frekuensi di atas 50 GHz. Peningkatan ini berarti peningkatan efisiensi daya dan peningkatan bandwidth untuk akselerator AI dan antarmuka memori bandwidth tinggi (HBM).

MEMS dan Perangkat Sensor

Wafer kaca menyediakan substrat ideal untuk perangkat laboratorium mikrofluida pada chip, sensor tekanan, dan MEMS optik. Biokompatibilitas bahan, kelembaman kimia, dan transparansi optik menjadikannya sangat berharga untuk aplikasi diagnostik medis. Perusahaan yang memproduksi chip analisis darah secara rutin menggunakan wafer kaca borosilikat toleransi kerataan permukaan di bawah variasi ketebalan total 2 mikrometer (TTV) .

Teknologi Tampilan

Susunan transistor film tipis (TFT) untuk layar kristal cair (LCD) dan panel OLED menggunakan substrat kaca format besar, dengan pabrik Generasi 10.5 memproses lembaran kaca berukuran 2940mm × 3370mm. Industri ini telah mencapai tingkat ekonomi yang luar biasa, dengan biaya substrat yang menurun hingga kurang dari $0,50 per kaki persegi untuk aplikasi tampilan komoditas sambil mempertahankan spesifikasi yang ketat untuk cacat permukaan dan kontrol dimensi.

Keunggulan Dibandingkan Wafer Silikon

Meskipun silikon tetap menjadi substrat semikonduktor yang dominan, wafer kaca menawarkan keuntungan menarik untuk aplikasi spesifik:

1. Kehilangan Sinyal Lebih Rendah: Nilai tangen kerugian dielektrik 0,003-0,005 memungkinkan kinerja frekuensi radio (RF) yang unggul dalam sirkuit komunikasi gelombang milimeter
2. Ukuran Substrat Lebih Besar: Teknologi manufaktur kaca siap diskalakan ke format persegi panjang 510mm × 515mm, melebihi batas praktis wafer silikon melingkar
3. Efisiensi Biaya: Untuk aplikasi interposer, substrat kaca dapat berharga 40-60% lebih murah dibandingkan bahan pembawa silikon yang setara, sekaligus memberikan kinerja listrik yang sebanding atau lebih baik.
4. Fleksibilitas Desain: TGV dalam kaca dapat dibentuk dengan rasio aspek yang lebih tinggi (rasio kedalaman terhadap diameter melebihi 10:1) dibandingkan dengan via silikon tembus, sehingga memungkinkan arsitektur 3D yang lebih ringkas
5. Akses Optik: Transmisi cahaya inframerah dan cahaya tampak memungkinkan penyelarasan bagian belakang, inspeksi, dan teknik pemrosesan yang tidak mungkin dilakukan dengan silikon buram

Tantangan Pengolahan dan Solusinya

Melalui Teknologi Formasi

Membuat vias kaca menghadirkan tantangan teknis yang unik. Tiga metode utama mendominasi manufaktur saat ini:

• Pengeboran Laser: Laser picosecond atau femtosecond ultracepat mengablasi material dengan zona yang terkena dampak panas minimal, mencapai laju pembentukan 100-500 vias per detik dengan diameter 10-100 mikrometer
• Etsa Basah: Kimia berbasis asam fluorida memberikan kehalusan dinding samping yang sangat baik untuk vias yang lebih besar, dengan laju etsa yang dapat dikontrol hingga ±5% di seluruh batch wafer
• Etsa Kering: Etsa ion reaktif berbasis plasma menawarkan profil anisotropik untuk aplikasi yang memerlukan dinding samping vertikal, meskipun throughputnya masih lebih rendah dibandingkan metode laser

Metalisasi dan Ikatan

Menyimpan lapisan konduktif pada kaca memerlukan optimalisasi proses yang cermat. Deposisi uap fisik (PVD) lapisan adhesi titanium atau kromium diikuti dengan deposisi biji tembaga memungkinkan pelapisan listrik selanjutnya untuk mengisi TGV. Fasilitas canggih tercapai melalui hasil pengisian melebihi 99,5% dengan hambatan listrik di bawah 50 miliohm per via .

Teknologi pengikatan wafer yang diadaptasi untuk kaca meliputi pengikatan anodik, pengikatan fusi, dan pengikatan perekat, masing-masing disesuaikan dengan persyaratan anggaran termal dan hermetisitas yang berbeda. Ikatan anodik kaca borosilikat dengan silikon mencapai kekuatan ikatan melebihi 20 MPa dengan kepadatan rongga antarmuka di bawah 0,01%.

Prospek Industri dan Perkembangan Masa Depan

Industri wafer kaca berada pada titik perubahan yang didorong oleh beberapa tren yang menyatu. Pengumuman Intel tentang substrat kaca untuk pengemasan tingkat lanjut, menargetkan implementasi di Jangka waktu 2030 untuk prosesor generasi berikutnya , memvalidasi investasi penelitian dan pengembangan selama bertahun-tahun.

Analis pasar memproyeksikan segmen pengemasan canggih saja akan mengonsumsi wafer kaca senilai lebih dari $2 miliar per tahun pada tahun 2028. Pertumbuhan ini berasal dari permintaan yang tak terpuaskan akan kinerja komputasi dalam kecerdasan buatan, kendaraan otonom, dan aplikasi komputasi edge di mana keunggulan kelistrikan kaca menjadi semakin penting.

Aplikasi yang Muncul

• Integrasi Fotonik: Wafer kaca dengan pandu gelombang optik tertanam memungkinkan pengemasan bersama sirkuit fotonik dan elektronik untuk interkoneksi optik yang beroperasi pada kecepatan data terabit per detik
• Komputasi Kuantum: Kehilangan dielektrik yang rendah dan stabilitas termal dari kaca khusus menjadikannya substrat yang menarik untuk susunan qubit superkonduktor
• Elektronik Fleksibel: Wafer kaca ultra-tipis (ketebalan hingga 30 mikrometer) menyediakan substrat yang fleksibel secara mekanis namun kuat secara kimia untuk tampilan yang dapat ditekuk dan sensor yang dapat dikenakan

Upaya standardisasi melalui organisasi seperti SEMI adalah menetapkan spesifikasi dimensi wafer kaca, toleransi kerataan, dan sifat material. Standar-standar ini akan mempercepat penerapannya dengan mengurangi risiko teknis dan memungkinkan rantai pasokan multi-sumber untuk produksi bervolume tinggi.