موضوع مقاله: شیمی طرح‌نگاری نوری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شیمی طرح‌نگاری نوری | مقدمه: ریزساخت تولید قطعاتی در مقیاس میکرو و نانو، معمولاً روی سطح ویفرهای سیلیکونی ، برای تولید مدارهای مجتمع ، سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS)، سلول‌های خورشیدی و سایر دستگاه‌ها است. | ## بخش 1: شیمی طرح‌نگاری نوری | فوتولیتوگرافی این فرآیند را از طریق استفاده ترکیبی از هگزامتیل دیسیلازان (HMDS)، مقاوم به نور (مثبت یا منفی)، پوشش چرخشی ، ماسک نوری ، سیستم نوردهی و سایر مواد شیمیایی مختلف ممکن می‌سازد. با دستکاری دقیق این عوامل می توان تقریباً هر ریزساختار هندسی را روی سطح ویفر سیلیکونی ایجاد کرد. برهمکنش شیمیایی بین تمام اجزای مختلف و سطح ویفر سیلیکونی، فوتولیتوگرافی را به یک مسئله شیمی جالب تبدیل می کند. تولیدکنندگانِ مدارهای مجتمع در دنیا از این شیوه‌ی بسیار کارآمد برای تولید بیش از 10 میلیارد ترانزیستور در هر ثانیه استفاده می‌کنند. ارزش تولیدات صنعتی با استفاده از تنها این یک فناوری، به بیش از 140 میلیارد دلار در سال می‌رسد. این فناوری قابلیت ارتقا برای تولید ساختارهایی با ابعاد کم‌تر از 100 نانومتر را دارد. برای پیدا کردن روش‌های جایگزین، محققانِ ساخت سیستم‌های نانومتری، در حال بررسی هزاران ایده و صدها روش هستند، تا شاید یکی از آنها جواب بدهد. علت اصلی استفاده از طول موج‌های کوتاه، رسیدن به ظرافت بیشتر در ساخت ادوات الکترونیک است. در حال حاضر فرایند اصلی ساخت ادوات الکترونیک بر پایه طرح نگاری نوری فرا بنفش است، که با طیف طول موج‌های بین ۳۰۰ تا ۴۵۰ نانومتر سر و کار دارد. ماسک در طرح لیتوگرافی نوری: ماسک‌ها در اصل صفحات کوارتزی هستند که بر رویشان با کُروم الگویی همانند شکل۱ داده شده است. بدیهی است که ساخت یک قطعه با دقت بسیار بالای هندسی و دقیقاً مشابه ماسک امکان پذیر نیست. برای ساخت ماسک‌ها از باریکه الکترونی با دقتی حدود کسری از میکرومتر استفاده می‌شود. این تکنیک لیتروگرافی الکترونی است که با جزئیات در اینجا مورد مطالعه قرار نمی‌گیرد. اگر دقت زیر میکرومتری در دسترس نباشد از روش‌های دیگری نظیر ژل، پرینت با کیفیت بالا روی ماده شفاف و. ویفر سیلیکونی ویفرهای سیلیکونی از یک شمش جامد از سیلیکون تقریباً خالص (99.9999999٪) بریده می شوند. این کار از طریق فرآیند رشد انجام می شود که در تصویر مجاور نشان داده شده است و یک کریستال سیلیکون مکعبی الماس دست نخورده تولید می کند. سیلیکون تک کریستالی به دلیل ساختارش ناهمسانگرد است که به آن خواص ساختاری و الکتریکی متفاوتی در جهات مختلف صفحه می دهد. با استفاده از شاخص های آسیاب برای نشان دادن جهت های مختلف صفحه، وجه های (1،0،0) و (1،1،1) معمولاً در ویفرهای سیلیکونی استفاده می شوند (تصویر را ببینید). شمش سیلیکون جهت گیری شده و در امتداد یکی از این صفحات بریده می شود تا آن سطح برای پردازش از طریق فتولیتوگرافی در معرض دید قرار گیرد. دلیل استفاده از هر یک از این صفحات مسطح به کاربرد ویفر سیلیکونی یا نحوه پردازش آن بستگی دارد. به هر حال، این بستگی به استفاده از اچانت ها، مقاومت نوری و اسیدها برای درمان سطح دارد، و برهمکنش شیمیایی این مواد شیمیایی با سطح کریستال به ویژگی های سطح آن صفحه کریستالی بستگی دارد. جدولی در سمت راست انرژی های سطحی، چگالی اتمی و فاصله بین اتمی سه صفحه برای یک کریستال سیلیکون را نشان می دهد. ویفر به تکه بسیار باریکی از یک ماده نیمه‌رسانا مانند بلور سیلیکون می‌گویند که درصد خلوص آن بسیار بالا و نزدیک به ۱۰ درصد است. سیلیکون ماده‌ای است از جنس کربن که بعد از اکسیژن، دومین عنصر از نظر میزان فراوانی در زمین است و به طور طبیعی قابل ترکیب نیست. سیلیکون به صورت ترکیب شده با اکسیژن در شن و اغلب سنگ‌ها وجود دارد که سیلیکا (در‌اکسید سیلیسیوم) نام دارد. | ## بخش 2: شیمی طرح‌نگاری نوری | اگر سیلیکون با عناصری دیگری مثل آهن، آلومینیوم یا پتاسیم ترکیب شود، سیلیکات ایجاد می‌شود. ترکیبات سیلیکونی در اتمسفر، آب‌های معدنی، بسیاری گیاهان و بدن برخی حیوانات وجود دارد. سیلیکون ماده اصلی در ساخت چیپ‌های کامپیوتری، ترانزیستورها، دیودهای سیلیکونی، دیگر مدارهای الکترونیکی و دستگاه‌های سوئیچینگ است چرا که ساختار اتمی آن، این عنصر را برای نیمه‌رسانا، ایده‌آل می‌کند. سیلیکون برای اینکه ویژگی‌های رسانا بودن خود را تغییر دهد معمولا با عناصری مثل بورون، فسفر و آرسنیک ترکیب می‌شود. این ماسک امکان کنترل دقیق روی فرآیندهای دوپینگ و اچینگ مورد استفاده برای تشکیل دستگاه‌ها روی ویفرهای سیلیکونی را فراهم می‌کند. فتورزیست ها دارای سه جزء اصلی هستند، یک حلال، رزین و حساس کننده (یا ترکیب فعال نور). این ترکیب به شکل مایع روی ویفر سیلیکونی اعمال می شود و پلیمریزاسیون از طریق قرار گرفتن در معرض نور کنترل می شود. از آنجایی که فوتوریست ها ترکیبات غیر قطبی هستند و دی اکسید سیلیکون دارای ویژگی قطبی است، مشکلات چسبندگی می تواند بین این دو ماده ظاهر شود. به منظور ایجاد قابل اعتماد ویژگی های کوچک، سطح ویفر سیلیکونی باید آبگریز شود تا چسبندگی مقاوم به نور ایجاد شود. ویژگی های انرژی سطحی ویفر سیلیکونی را می توان با قرار دادن یک قطره آب دیونیزه یا اتیلن گلیکول و اندازه گیری زاویه تماس قطره اندازه گیری کرد. با استفاده از رابطه یانگ و مقادیر جدول بندی شده برای انرژی سطحی، می توانیم انرژی سطحی جامد را تخمین بزنیم. در این فرایند، میکروساخت استفاده شده و جهت تهیه الگو در بخش‌هایی از انواع لایه های نازک استفاده می‌شود. در این فرایند پس از نشاندن یک لایه پلیمری حساس به نور (مانند فتورزیست، PMMA و SU۸) روی سطح زیرلایه، پرتوی همگن از یک ماسک عبور کرده و طرحی روی پلیمر ایجاد می‌کند. پس از ایجاد طرح روی پلیمر، نواحی نور دیده، با مقاومت در برابر خوردگی، واسطه انتقال طرح به لایه زیرین می‌شوند. در دستگاه فتولیتوگرافی این آزمایشگاه امکان آنتقال طرح دلخواه شما از روی طلق بصورت یک به یک و نیز کاهنده (تا ۱/۷) بر روی زیر لایه مناسب (مانند شیشه حاوی لایه نازک کروم، نیکل و ...) وجود دارد. این مرکز، مجهز به تجهیزات طراحی، ساخت و مشخصه یابی ماسک نظیر دستگاه‌های اسپین کوت، آون، لایه نشانی تبخیر حرارتی، میکروسکوپ نوری بازتابی و میکروسکوپ اتمی می باشد. مقاومت مثبت فترزیست های مثبت از یک رزین نوولاک، حلال اتیل لاکتات و دیازونافتاکینون (DQ) به عنوان ترکیب فعال نور تشکیل شده اند. مقاومت نوری مثبت با نور واکنش می دهد و باعث می شود پلیمر تجزیه شود و در محلول توسعه دهنده حل شود. مقاومت های مثبت برای تولید اندازه ویژگی های کوچک بهتر هستند، اما به ویفرهای سیلیکونی و همچنین مقاومت منفی نمی چسبند. مقاومت منفی مقاومت نوری منفی از ماتریس پلی (سیس ایزوپرن)، حلال زایلن و بیس آریلازید به عنوان ترکیب فعال نور تشکیل شده است. یک روش متداول برای افزایش چسبندگی مقاوم به نور بر روی سطح ویفر سیلیکونی، درمان ویفر با هگزامتیل دیسیلازان (HMDS) است. ویفر می تواند برای حذف آب جذب شده تحت یک پخت کم آبی قرار گیرد و به دنبال آن عملیات HMDS نیز به عنوان مرحله پرایمینگ شناخته می شود. HMDS را می توان به صورت مایع روی ویفر با استفاده از یک سرنگ پخش کرد در حالی که ویفر به یک چاک خلاء در یک پوشش چرخشی متصل است . HMDS همچنین می تواند به شکل گاز در فرآیندی که به عنوان بخار اولیه شناخته می شود، اعمال شود. HMDS چسبندگی خوب مقاوم به نور به ویفر را تقویت می کند زیرا سطح ویفر آبگریز است . | ## بخش 3: شیمی طرح‌نگاری نوری | صفحه سیلیکونی بکر (100) دارای ارزش انرژی سطحی 56.9 است که به مقدار 44.1 کاهش می یابد بعد از تیمار HMDS فرمول مولکولی هگزامتیل دیسیلازان C 6 H 19 NSi 2 است . به خاطر داشته باشید که مخفف HMDS به طور گسترده ای در صنایع مانند بانکداری استفاده می شود, محاسبات, آموزشی, امور مالی, دولتی, و سلامت. معمولاً ضخامت ها از 1 تا 200 متغیر است میکرومتر ویژگی های اصلی که بر ضخامت فیلم تأثیر می گذارد ویسکوزیته و سرعت چرخش است. هر چه حلال چسبناک تر باشد، لایه غلیظ تر خواهد بود و هر چه ویفر سریعتر چرخانده شود، لایه نازک تر خواهد بود. این پارامتر را می توان با رقیق کردن نور مقاوم و افزودن اجزای مختلف به آن برای تغییر خواص آن دستکاری کرد. فرآیندی به نام شستشوی پشتی معمولاً برای چرخاندن این مهره از ویفر استفاده می شود. با برنامه‌ریزی چندین سرعت چرخش مختلف در دستگاه پوشش اسپین، ضخامت حلال را می‌توان بدون «مجوبه‌سازی» در لبه‌ها یکنواخت کرد. پوشش دهی دورانی یا اسپین کوتینگ Spin coating روشی رایج، در علوم و مهندسی، برای نشاندن لایه‌های نازک و یکنواخت مواد بر روی یک زیرساخت مسطح است. در این روش معمولاً از یک ماده محلول مانند لاک نوری‌ برای لایه زنی استفاده می شود. برای انجام پوشش به روش چرخشی، ابتدا مایعی از ماده مورد پوشش بر سطح زیرلایه و در مرکز زیر لایه پاشیده می شود. زیر لایه بر روی صفحه دواری که قابل چرخیدن است قرار می گیرد و به وسیله اعمال یک خلاء ناچیز به آن می چسبد. با این کار مایع یا سیال بر سطح زیرلایه دفع می شود و به عبارتی این روش مبتنی بر نیروی گریز از مرکز است. در مرحله بعد زیر لایه با سرعت ثابتی می چرخد و نیروهای چسبنده سیالات موجب یک لایه نازک بر سطح زیرلایه می شوند. در این مرحله اگر سیال دارای حلال فرار باشد این حلال بخار می شود و لایه نازک پوشش بر سطح زیر لایه باقی می ماند. در این روش عواملی همچون چسبندگی محلول، سرعت زاویه ای چرخش زیرلایه، زمان چرخش و برخی عوامل دیگر نقش اساسی دارند. به عنوان نمونه چنانچه سرعت چرخش بیش از حد زیاد باشد لایه بسیار نازک خواهد شد و از طرفی لایه بسیار نازک می تواند بیانگر زمان زیاد چرخش باشد و باید آن را کاهش داد. درست عکس این مطالب نیز برای لایه های ضخیم صادق است و بنابر این باید زمان و سرعت را با توجه به میزان چسبندگی و سطح زیر لایه و جنس زیرلایه به درستی انتخاب نمود. کاربردها: روش پوشش دورانی معمولاً برای لاک زدن روی قرص‌های زیر ساخت در صنعت میکروالکترونیک و فناوری میکرو استفاده می‌شود. ضخامت لابه ایجاد شده به گرانروی لاک نوری، سرعت دورانی، شتاب و طول زمان چرخش وابسته‌است. در میکروالکترونیک ضخامت‌هایی در حدود چند میکرو متر و کمتر مرسومند زیرا که لاک نوری فقط به عنوان یک پوشش محافظ یا پوشش قربانی استفاده می‌شود و ساختار اصلی روی خود متن کوچکقرص قرار می‌گیرد. ولی در فناوری میکرو بعضاً ساختارهایی از جنس خود لاک تولید می‌شود که در آن نیاز به ایجاد لایه‌های ضخیم تر وجود دارد. از دیگر کاربردهای این روش می‌توان از لایه نشانی انواع مواد آلی و شیمیایی، لایه‌نشانی انواع سل ژل، یا پوشش رنگ نام برد. در حال حاضر مهندسان و دانشمندان در حال کار بر روی کشف راه بهتری برای اعمال نور مقاوم به بستر یک ویفر سیلیکونی هستند. پوشش اسپین می تواند منجر به مشکلات توپوگرافی ویفر مانند بسترهای غیر گرد، زیرلایه های بزرگ، بسترهای شکننده و مصرف مواد شود. با پاشیدن فتوریست بر روی سطح ویفر بر خلاف پوشش چرخشی فتورزیست، مقدار زیادی فوتوریست ذخیره می شود و می توان قطعات کوچکتر و دقیق تری ساخت. | ## جمع‌بندی | پوشش اسپری هنوز در مرحله توسعه است و تحقیقات بیشتری باید انجام شود تا مقرون به صرفه و کاربردی باشد.