الدرس 13.2الدقيق والنانويالفصل 13 · التصنيع الدقيق والنانوي

الطباعة الضوئية الحجرية

يُسقِط نمطًا بالضوء على طلاء حسّاس للضوء، ثم يحفره

تطبع الطباعة الضوئية (Photolithography) أنماطًا على رقاقة سيليكون بالضوء، كتحميض صورة عبر استنسل. ترسم بلايين الترانزستورات والأسلاك على شريحة الحاسوب، طبقة بعد طبقة. وكل شريحة في هاتفك مرّت بها عشرات المرات.

الصورة: Le hollandais volant, CC BY 4.0, عبر Wikimedia Commons

دورة طباعة ضوئية واحدة في ستة مقاطعكل لوحة مقطع في قطعة صغيرة من الرقاقة بعد تلك الخطوة؛ وتطابق الأرقام المحاطة بدوائر الخطوات أدناه.

كيف تعمل

اطلِ المقاوم بالدوران. تحمل الرقاقة أصلًا طبقة رقيقة يراد نقشها، مثل أكسيد السيليكون أو معدن. تسقط عليها بضع قطرات من المقاوم الضوئي (بلاستيك سائل حسّاس للضوء)، وتدور الرقاقة بآلاف rpm، تاركةً غشاءً منتظمًا بسمك ميكرومتر أو أقل. ويجفّفه خبز قصير.
حاذِ وعرِّض. يُحاذى القناع (لوح زجاجي يحمل نمط طبقة واحدة بالكروم، ويسمى أيضًا reticle) مع الأنماط الموجودة على الرقاقة، ضمن بضعة نانومترات في الشرائح المتقدمة. يسطع ضوء UV عبر أجزائه الشفافة، وتصغّر عدسة الصورة، عادةً أربع مرات، على المقاوم. وتكرر الآلة، وتسمى stepper أو scanner، ذلك حقلًا بعد حقل عبر الرقاقة.
التظهير. يغمر سائل مظهّر الرقاقة. ومع المقاوم الموجب الأكثر شيوعًا، تذوب المناطق التي أصابها الضوء، تاركةً فتحات بشكل المناطق الشفافة في القناع.
الحفر. في حفّار بلازما (حجرة غاز مشحون كهربائيًا)، تأكل البلازما الطبقة حيث يكون المقاوم مفتوحًا فقط؛ وفي غير ذلك يحميها المقاوم. وبدل الحفر، قد تتلقى الفتحات مادة جديدة أو ذرات مزروعة.
النزع. يُزال المقاوم المتبقي بمذيبات أو ببلازما أكسجين. وصار النمط الآن موجودًا في الطبقة نفسها.
التكرار. تُضاف طبقة جديدة وتبدأ الدورة من جديد بالقناع التالي، وكل نمط محاذى للأنماط التي تحته. وتمر الشريحة المتقدمة بعشرات من هذه الدورات.

حقائق أساسية

المواد: رقائق سيليكون مطلية بمقاوم ضوئي؛ وكذلك الزجاج وأشباه الموصلات المركّبة وألواح الدوائر
القطع النموذجية: أنماط مسطحة مكدّسة طبقة طبقة: ترانزستورات، وأسلاك، ومستشعرات، وخلفيات شاشات
حجم القطعة: رقائق بعرض حتى 300 مم؛ وكل تعريض يغطي حقلًا بنحو 26 × 33 مم
الدقة: نحو ميكرومتر بمحاذيات المختبر البسيطة؛ وعشرات النانومترات بضوء ليزر 193 nm؛ وقرب 10 nm بضوء EUV (13.5 nm)
تشطيب السطح: لا يترك ملمسًا خاصًا به؛ والرقائق المنقوشة تتلألأ بألوان قوس قزح
حجم الدفعة المناسب: إنتاج ضخم: طقم أقنعة واحد يخدم آلاف الرقائق، وكل منها يحمل مئات إلى آلاف الشرائح
كلفة العدّة والآلة: محاذيات الأقنعة المخبرية: من عشرات إلى مئات الآلاف من الدولارات؛ ماسحات EUV: مئات الملايين؛ طقم أقنعة متقدم: ملايين
السرعة: يعرّض ماسح إنتاجي نحو 100–300 رقاقة في الساعة، بطبقة واحدة لكل منها

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

ينقش رقاقة كاملة بالتوازي: بلايين الميزات دفعة واحدة
يبلغ تفاصيل بمقياس النانومتر مع الماسحات الحديثة
قابل للتكرار جدًا: عماد إنتاج الشرائح كله
كلفة منخفضة جدًا للترانزستور عند الإنتاج الكبير

الحدود

آلات وأقنعة وغرف نظيفة باهظة للغاية
طول موجة الضوء يحدّ أدق التفاصيل
طبقات مسطحة فقط؛ والبُنى ثلاثية الأبعاد تأتي من تكديس عشرات منها
يحتاج إلى غرف خالية من الغبار والاهتزاز تحت ضوء أصفر

أين تُستخدم

الإلكترونياتالمعالجات، وشرائح الذاكرة، ومستشعرات صور الكاميرات
الشاشاتشبكة الترانزستورات خلف شاشات LCD وOLED
المستشعرات وMEMSمقاييس التسارع، والميكروفونات، ومستشعرات الضغط
الفوتونياتشرائح LED، وثنائيات الليزر، ومرشدات الضوء على الشرائح
ألواح الدوائرمسارات نحاسية، تُنقَش بمقاوم الغشاء الجاف
البحث العلميأجهزة الموائع الدقيقة «مختبر على شريحة»

كيف تتعرف عليها

الأنماط لا تراها العين. أدق الخطوط أرق من الشعرة بآلاف المرات وتحتاج إلى مجهر إلكتروني لتُرى. وهي مخبّأة داخل كل شريحة في هاتفك وحاسوبك وسيارتك، وخلف كل بكسل في شاشتك.
تلألؤ قوس قزح. أمِل رقاقة عارية أو شريحة تحت الضوء فتومض بألوان قوس قزح: أنماطها المنتظمة تفرّق الضوء كما يفعل القرص المضغوط.
غرف مضاءة بالأصفر. في صور المصانع، تتوهج منطقة الطباعة الضوئية بالأصفر، لأن المقاوم لا يتأثر بالضوء الأصفر.
ألواح الدوائر. المسارات النحاسية الدقيقة على لوحة دائرة خضراء رُسمت أيضًا بالضوء عبر قناع، بمقياس أخشن بكثير.