طباعة حجرية ضوئية

جزء من مختبر الطباعة الضوئية ويظهر فيه مكان وضع الشريحة الرقيقة وكذلك مصدر الضوء الليزري الذي يبعث أشعة فوق بنفسجية عند 365 نانومتر.

تشتمل الدورة الواحدة من عملية الطباعة الضوئية على تنفيذ عدة مراحل متتالية داخل حجرات معامل نظيفة ومعقمة تحتوي على أنظمة ألية دقيقة لتنسيق عملية التصنيع على الشرائح الرقيقة. ومما هو جدير بالذكر أن طريقة التصنيع المذكورة هنا لاتشتمل على بعض المعالجات المتقدمة مثل أدوات ترقيق الشرائح والا زالة الدقيقة لزوائد حواف الشرائح.[1]

ان الوظيفة الأساسية لأنظمة التعريض تكمن في تكوين صورة على الشريحة الرقيقة باستخدام غطاء ضوئي. والغطاء أو القالب الضوئي ببساطة عبارة عن الشكل أو النموذج الهندسي المراد طباعته وبالتالي فإنه يمرر الأشعة الضوئية الساقطة عليه في أجزاء معينة بينما يقوم بمنع مرورها في أجزاء أخرى. ومن الممكن استخدام الأشعة الضوئية مباشرة بدون الحاجة إلى المرور من خلال غطاء ضوئي كما هو الحال في بعض التطبيقات العلمية غير التجارية. ويمكننا تقسيم أنظمة التعريض الضوئية بحسب المكونات البصرية من عدسات ومرايا المستخدمة في نقل صورة النموذج الهندسي من الغطاء الضوئي إلى الشريحة.

يتم تكوين النموذج المراد طباعته على الغطاء الضوئي عن طريق تحويل بيانات موضوعة في ملف حوسبي إلى مجموعة من الاشكال الهندسية المضلعة ليتم كتابتها باستخدام تقنية الطباعة الضوئية على سطح شريحة مربعة من مادة الكوارتز المنصهر والمغطاة بطبقة رقيقة من عنصر الكروم. حيث يتم تعريض النموذج الموجود على سطح الشريحة لشعاع ليزر عالي الشدة مكوناً صورة نقطية مسحية متتالية أو صورة موجهة للنموذج الهندسي. وعندما تتعرض المادة المقاومة للضوء على سطح الغطاء لأشعة الليزر، تتعرض الأجزاء من طبقة الكروم والتي تغطي موضع النموذج الهندسي إلى الا زالة تاركة وراءها مسار واضح على سطح غطاء الكوارتز تستطيع أشعة الليزر النفاذ من خلاله إالى حيث توجد الشريحة المراد طباعة النموذج الهندسي عليها.

الطيف الكهرومغناطيسي للضوء المنبعث من مصابيح الفلورسنت (بعد مروره من خلال مرشحات ضوئية) والتي تستخدم لإنارة مختبرات الطباعة الضوئية ويظهر فيه أن معظم الشدة الضوئية تقع في المنطقة الصفراء والخضراء من الطيف المرئي. ويؤخذ بهذا الإجراء لتجنب تعريض المادة المقاومة للضوء إلى الأشعة الزرقاء والفوق بنفسجية الموجودة في ضوء مصابيح الفلورسنت الغير مرشحة مما يؤدي إلى تلفها.

إن القدرة على تكوين صورة واضحة ودقيقة لجسم صغير الابعاد على الشريحة الرقيقة يعتمد أساساً على الطول الموجي للضوء المستخدم وكذلك على مدى استطاعة العدسة البصرية الموضوعة خلف الغطاء الضوئي في تجميع أكبر قدر ممكن من الأشعة الضوئية النافذة منه. وتستخدم أنظمة الطباعة الضوئية الحديثة مصادر ليزر الاكسيمر والتي تبعث أطوال موجية قصيرة المدى تقع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية العميقة بين 248 إلى 193 نانومتر، مما يسمح بتكوين أشكال هندسية واضحة ودقيقة ذات أبعاد قد تصل إلى 50 نانومتر على الشريحة. وقد ساهم التطور التقني الهائل في مجالات مصادر ليزر الاكسيمر والأنظمة البصرية في العشرين سنة الأخيرة بدور فعال وحيوي في الحفاظ على التطور المستمر في شكل وأبعاد النماذج الهندسية المصنعة بتقنية الطباعة الضوئية كما تنبأ به قانون مور.[3]

وتصف المعادلة التالية أصغر اتساع صورة شكل ما يمكن طباعتها بدقة ووضوح بواسطة نظام الإسقاط الضوئي على سطح الشريحة الرقيقة:

${\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}$

حيث ${\displaystyle \,CD}$ أصغر اتساع للصورة المتكونة، ${\displaystyle \,k_{1}}$ معامل حسابي يضم جميع عوامل وظروف التشغيل لعملية الطباعة وعادة يساوي 0.4 (يمكن الحصول على اتساع صورة أفضل عن طريق خفض قيمة هذا المعامل باستخدام طرق وأدوات الطباعة الحسابية), ${\displaystyle \,\lambda }$ الطول الموجي للضوء المستخدم، ${\displaystyle \,NA}$ وتسمى الفتحة العددية للعدسة المستخدمة في إسقاط الأشعة الضوئية على سطح الشريحة وتساوي الطول البؤري للعدسة مقسوماً على قطرها.

وطبقاً للمعادلة السابقة، فإنه يمكن الحصول على أدنى اتساع للصورة المتكونة عن طريق تقليل الطول الموجي وزيادة الفتحة العددية للعدسة. إلا أن الإجراء الأخير يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في عمق البؤرة وهي المسافة التي يتحرك فيها شعاع الليزر على سطح الشريحة بدون حدوث تغيير ملحوظ في النتائج. والمعادلة التالية تحسب عمق البؤرة لشعاع ليزري يتم تركيزه بواسطة عدسة:

خطأ رياضيات (خطأ في الصياغة): {\displaystyle D_F = k_2 \cdot\frac{\lambda}{{غ/م}^2}}

حيث ${\displaystyle \,k_{2}}$ معامل حسابي أخر يعتمد أيضا على عوامل وظروف التشغيل المختلفة. يلاحظ من المعادلة السابقة أن الفتحة العددية موجودة على شكل دالة تربيعية وهذا معناه أن أي زيادة ولو طفيفة تؤدي إلى نقص ملحوظ في عمق البؤرة لان العلاقة عكسية بين الكميتين. وللحصول على أفضل النتائج فإن تقنيات الطباعة الضوئية الحديثة تستخدم طريقة تسمى الصقل الميكانيكي الكيميائي للحصول على أعلى درجة استواء لكلا من المادة المقاومة للضوء وسطح الشريحة الموجودة أسفلها، مما يؤدي إلى تقليل أهمية تأثير عمق البؤرة للأشعة الليزرية على جودة الطباعة.

يعتبر مصدر مصباح تفريغ الغاز الذي يحتوي مادة الزئبق ويبعث أشعة ضوئية في المنطقة فوق البنفسجية من أوائل المصادر الضوئية التي تم استخدامها مع تقنية الطباعة الضوئية. فمنذ بدايات الستينيات وحتى منتصف الثمانينيات من القرن الماضي، تم استخدام العديد من الخطوط الطيفية المنبعثة من هذا المصدر (من أشهر هذه الخطوط وأكثرها استخداما: 436, 405 و365 نانومتر) في مختلف تطبيقات الطباعة الضوئية. إلا أن ازدياد الحاجة إلى شرائح إلكترونية ذات كثافة أعلى وسرعة معالجة أكبر أدى إلى توقف استخدام مصدر الزئبق والبدء في البحث عن مصدر ضوئي يستطيع تلبية احتياجات الصناعات الإلكترونية المختلفة.

وعندما تم تطوير مصدر الاكسيمر ليزر في سبعينيات القرن الماضي وظهرت نتائجه المتميزة في المجالين البحثي والصناعي، بدا أن الصناعة قد وجدت ضالتها أخيرا وتم استخدام هذا المصدر الضوئي لأول مرة في الطباعة الضوئية بواسطة شركة أي.ب.ام في العام 1982 من خلال العالم ك.جان،[4][5][6][7] ولا تزال أنظمة الطباعة الضوئية الحديثة في مجال الصناعات الإلكترونية على مختلف أنواعها تعتمد اعتماد كلي على مصادر ليزر الاكسيمر.

وقد استطاعت تقنية الطباعة الضوئية بمساعدة ليزر الاكسيمر من تقليل أدنى اتساع للصورة المطبوعة على الشرائح الإلكترونية من 0.5 ميكرومتر في تسعينيات القرن الماضي إلى حوالي 50 نانومتر في عام 2010 ولايزال التطور مستمرا ومن المتوقع الوصول إلى 10 نانومتر في خلال السنوات الخمس المقبلة.[8][9][10]

ويعتبر ليزر فلوريد الكريبتون ذو الطول الموجي 248 نانومتر وليزر فلوريد الارجون ذو الطول الموجي 193 نانومتر من أكثر أنواع ليزر الاكسيمر استخداماً في تقنية الطباعة الضوئية. ومن أشهر الشركات المصنعة لأنظمة ليزر الاكسيمر والمستخدمة خصيصاً في هذا المجال: Cymer Inc وCoherent Inc. وحيث أن طريقة عمل مصادر ليزر الاكسيمر تعتمد بصفة عامة على خليط معين من الغازات، فإن تغيير الطول الموجي المنبعث ليس بالامر السهل من الناحية العملية لأن الطول الموجي الجديد يتطلب طريقة إنتاج مختلفة تماما بالإضافة إلى أن الخصائص الامتصاصية الضوئية للمواد المستخدمة في هذه الطريقة تتغير وفقاً للطول الموجي الجديد. فمثلاً، يتطلب توليد شعاع ضوئي ذو طول موجي أقل من 193 نانومتر تركيب مضخة تفريغ هواء وجهاز تنظيف هواء على مسار الأشعة الضوئية داخل نظام الطباعة الضوئية (لأن جزيئات الهواء تمتص الاشعة الضوئية ذات الأطوال الموجية < 200 نانومتر تقريباً) وهذا في حد ذاته يمثل تحدياً عملياً وفنياً كبيراً. أضف إلى ذلك أن بعض المواد مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) تقوم بإطلاق العديد من الإلكترونات السالبة والثقوب الموجبة عندما تتعرض لفوتونات ذات طاقة أكبر من طاقة فجوة نطاقها مما يؤدي إلى حدوث ظاهرة تسمى الشحن العكسي داخل النظام تؤثر على كفاءته الإنتاجية.

وقد تم الحصول على أفضل اتساع صورة قدره 50 نانومتر من أنظمة الطباعة الضوئية الحديثة والتي تستخدم ليزر فلوريد الارجون عند 193 نانومتر وذلك بمساعدة تقنية أخرى تسمى غمر السائل أو الطباعة الغاطسة. وفي هذه التقنية، يتم تمرير تيار من سائل فائق النقاوة مثل الماء المتأين في المسافة الفاصلة بين عدسة التعريض وسطح الشريحة الرقيقة ليحل مكان الهواء الموجود أصلاً بينهما مما يؤدي إلى زيادة قيمة معامل انكسار هذه الفجوة فوق الواحد الصحيح. وهذا بدوره يؤدي إلى ارتفاع قيمة الفتحة العددية للعدسة (NA) وبالتالي تقليل أدنى دقة تحليل لنظام الطباعة. ويتم حاليا إجراء مجموعة من الأبحاث حول إمكانية تقليل دقة التحليل بدرجة أكبر عن طريق استخدام سوائل أخرى لها معامل انكسار أعلى من الماء المتأين.

وقد نجحت شركة IBM في العام 2006 في إنتاج أدنى مدى اتساع صورة مطبوعة قدره 30 نانومتر باستخدام التقنية المذكورة.[11] وقد جرت حديثاً محاولات كثيرة لاستبدال هذه النظام بنظام أخر مشابه مع استبدال كلا من ليزر فلوريد الارجون وجهاز غمر السائل بمصدر ليزر الفلورين والذي يشع طول موجي عند 157 نانومتر (وهو أيضاً من نوع الاكسيمر) نظراً للتحسن الملحوظ الذي يحدث في دقة تحليل الصورة المطبوعة عند تناقص الطول الموجي. ولكن للآسف وبسبب المشاكل الفنية الكبيرة المحيطة بظروف تشغيل هذا النظام ولأسباب اقتصادية أخرى أيضاً، فقد تم استقرار الشركات والمؤسسات الصناعية الكبرى في مجال الطباعة الضوئية على الاستمرار في استخدام وتطوير النظام القائم والمعتمد على تقنيات ليزر فلوريد الارجون وجهاز غمر السائل.

تعرضت تقنية الطباعة الضوئية منذ ظهورها إلى الكثير من التشكيك في قدراتها العملية والتطبيقية، إلا أنها كانت قادرة على الصمود والتحدى وأثبتت نجاحها الملحوظ على مدار السنوات الماضية. فعلى سبيل المثال، ظهرت بعض التوقعات في بداية الثمانينيات من القرن الماضي على أنه من المستحيل عملياً استخدام طريقة ضوئية في تحسين دقة التحليل لتقنية الطباعة الحفرية إلى أقل من 1 ميكرومتر.

والآن تستطيع أنظمة الطباعة الضوئية الحديثة إنتاج اشكال هندسية ذات ابعاد تصل إلى أجزاء صغيرة من الطول الموجي المستخدم، وهو مايعتبر إنجاز تاريخي فذ للأنظمة الضوئية عموماً. وإلى جانب الاستمرار في تطوير تقنية غمر السائل، فإن الشركات المصنعة لأنظمة الطباعة الضوئية تقوم أيضاً باختبار العديد من التقنيات الأخرى مثل طبقة المادة المقاومة للضوء المزدوجة، والقوالب المتعددة، لتحسين دقة تحليل طباعة النماذج على سطح الشرائح باستخدام ليزر فلوريد الارجون. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأبحاث العلمية تجري الآن على قدم وساق في العديد من جهات البحث العالمية لتطوير أنظمة طباعة حفرية تستخدم أطوال موجية قصيرة خارج نطاق منطقة الفوق بنفسجية العميقة مثل: الطباعة باستخدام شعاع الإلكترونات، الطباعة باستخدام الاشعة السينية، الطباعة باستخدام الاشعة فوق البنفسجية المتطرفة، والطباعة باستخدام اسقاط الايونات.

• «1»: الطباعة الحجرية الضوئية[12][13] أو طباعة حجرية تصويرية[12][14] أو طباعة فتوغرافية بالحجر[12][15] أو ليتوغرافيا ضوئية[12][16] أو ليثوغرافية ضوئية[12][16] أو ليثوغرافيا ضوئية[17] أو الرسوميات الحجرية الضوئية^{[بحاجة لمصدر]} (بالإنجليزية: Photolithography)‏[18]

• بوابة تقنية النانو