طباعة ضوئية

تعتبر الطباعة الضوئية من أحدث التقنيات في مجال الطباعة الحفرية وتستخدم كأداة أساسية في عمليات التصنيع المصغرة عن طريق طبع شكل هندسي ذات أبعاد صغيرة جدا على سطح مادة تسمى بالمادة الركيزة وذلك بإزالة أجزاء انتقائية من هذا السطح بواسطة أشعة ضوئية ساقطة عليها.
وتتلخص فكرة عملية الطباعة الضوئية أساساً في استخدام الأشعة الضوئية لنقل شكل هندسي سابق التجهيز من قالب أو غطاء ضوئي إلى حيث يتم تثبيته على سطح المادة بمساعدة مركب كيميائي يغطي سطحها ويكون عالي الحساسية لتلك الأشعة الضوئية. ثم يتبع ذلك سلسلة من المعالجات الكيميائية التي تؤدي في نهاية الأمر إلى حفر ونقش الشكل الهندسي بدقة ووضوح على السطح أسفل المادة الحساسة للضوء. وعلى سبيل المثال, فإنه يلزم تكرار هذه العملية أكثر من 50 مرة لتصنيع بعض الدوائر الإلكترونية المتكاملة ذات التطبيقات المتقدمة.
وكما هو الحال في عملية التصوير الضوئي (حيث يتم تعريض الأجسام المراد تصويرها إلى أشعة الضوء), فإنه يجب أيضا تعريض الأشكال والأجسام المراد طباعتها إلى أشعة الضوء في الطباعة الضوئية إما بطريقة مباشرة أو عن طريق استقبال الصورة المنعكسة من الغطاء الضوئي كما هو الحال في طباعة لوحات الدوائر الإلكترونية.
ومن خلال تقنية الطباعة الضوئية نستطيع تكوين نماذج هندسية متناهية الصغر ذات أبعاد تصل إلى أجزاء من المليون من المتر, مع المحافظة في نفس الوقت على أشكال وأحجام هذه النماذج بدقة متناهية. بالإضافة إلى ذلك, فإن تقنية الطباعة الضوئية تعتبر طريقة اقتصادية فعالة بدلالة كل من الوقت والتكلفة المادية اللازمين لعملية التصنيع. إلا أنه من أبرز عيوب تلك التقنية حتمية أن يكون كلا من سطح المادة المراد الطباعة عليه والنموذج الهندسي المطلوب طباعته شديدي الاستواء, كما أن جميع مراحل التصنيع يجب أن تتم في معامل خالية تماما من عوامل التلوث البيئي المختلفة مما يضع قيودا إضافية على ظروف التشغيل.
طريقة التصنيع الأساسية ==
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.

التنظيف والتنقية

يتم أولا اجراء عملية ازالة للمواد العضوية وغير العضوية الموجودة على سطح الشريحة الرقيقة وتمثل مصدر من مصادر التلوث التي تؤثر بشكل كبير على نتيجة عملية الطباعة الضوئية. وللحصول على أفضل النتائج, تستخدم عادة الطرق الكيميائية السائلة في إزالة هذه الملوثات ومن أشهر هذه الطرق استخدام محاليل كيميائية تحتوي على فوق أكسيد الهيدروجين (بيروكسيد الهيدروجين).

التجهيز

في البداية يتم رفع درجة حرارة الشريحة تدريجيا إلى أن تصل درجة حرارة كافية للتخلص من الرطوبة التي من الممكن أن تكون موجودة على السطح. بعد ذلك يستخدم محلول كيميائي مثل Bis(trimethylsilyl)amine ("hexamethyldisilazane", HMDS لتقوية وتعضيد عملية التصاق المادة اللزجة المقاومة للضوء على سطح الشريحة الرقيقة, حيث تتفاعل طبقة ثاني أكسيد السيلكون الموجودة فوق سطح الشريحة مع هذا المحلول الكيميائي المذكور ويكون نتيجة هذا التفاعل تكوين طبقة ثابتة على سطح الشريحة من مركب كيميائي يسمى tri-methylated silicon-dioxide وهي مادة طاردة للماء تعمل تماما عمل طبقة الشمع التي تغطي أي سطح معدني. وتقوم هذه الطبقة السطحية بمنع نفاذ محلول الإظهار المستخدم إلى المنطقة بين طبقتي المادة المقاومة للضوء وسطح الشريحة الرقيقة وبذلك تحول دون انتقال وتكون شوائب غير مرغوب فيها داخل النموذج الهندسي المصنع على سطح الشريحة.

وضع المادة المقاومة للضوء

في هذه المرحلة, تغطى سطح الشريحة الرقيقة بطبقة من مادة  مقاومة للضوء عن طريق تقنية الطلاء المغزلي حيث يتم توزيع محلول مائي من هذه المادة على سطح الشريحة ثم يتم تدوير قاعدة حمل الشريحة بسرعات عالية لتكوين طبقة منتظمة ومستوية من المادة. وفي العادة يتم تدوير الشريحة بسرعات من 1200 إلى 4800 لفة / دقيقة لفترة زمنية تتراوح من 30 إلى 60 ثانية, لإنتاج طبقة من المادة المقاومة للضوء يتراوح سمكها من 0.5 إلى 2.5 ميكرومتر. ويعمل المحلول الكيميائي المذكور في الفقرة السابقة على تأكيد عملية التصاق هذه المادة مع سطح الشريحة. وعند الالتزام الدقيق بكل ظروف التشغيل السابق ذكرها فإن عدم الانتظام في استواء الطبقة المتكونة يترواح بين 5 إلى 10 نانومتر. وقد أمكن تفسير الحصول على هذه الطبقة عالية الاستواء عن طريق النمذجة والمحاكاة الحاسوبية لحركة السائل اللزج على سطح الشريحة (ميكانيكا الموائع) والتي تبين أن السائل في أعلى الطبقة يتحرك بسرعة  أكبر بكثير منها في أسفل الطبقة, حيث تعوق قوى اللزوجة السائل من الحركة بحرية عن طريق ربط جزيئاته مع تلك الموجودة على سطح الشريحة. وبالتالي فإن الطبقة العليا من المادة يتم قذفها بسرعة عالية إلى حواف الشريحة بينما لا تزال الطبقة السفلى تزحف بسرعة أقل منتشرة ببطء بصورة قطرية على امتداد جسم الشريحة. وبهذه الطريقة يتم إزالة أي نتوءات أو ارتفاعات من المادة تاركة وراءها طبقة شديدة الاستواء على سطح الشريحة.
وفي نهاية هذه المرحلة يتم تسخين الشريحة الرقيقة عند درجة حرارة تتراوح من 90 إلى 100 درجة مئوية لمدة زمنية تترواح من 30 إلى 60 ثانية باستخدام جهاز لوح التسخين وذلك لضمان تخلص سطح الشريحة من أى شوائب أو زوائد للمادة السائلة.

التعريض والاظهار

بعد تسخين الشريحة في نهاية المرحلة السابقة يتم تعريض الطبقة العليا منها (طبقة المادة المقاومة للضوء) إلى ضوء عالي الشدة ينتمي عادة إلى المنطقة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ويحتوي على النموذج أو الشكل الهندسي المراد طباعته على سطح الشريحة. وتسبب عملية التعريض الضوئي حدوث تغيير في التركيب الكيميائي لاجزاء من المادة المقاومة للضوء والتي تصبح قابلة للذوبان عند وضعها في محلول الإظهار العضوي مما يؤدي إلى ازالة هذه الاجزاء في عملية مشابهة لتقنية اظهار الصور الفوتوغرافية. ولمزيد من المعلومات عن مرحلة التعريض والاظهار في تقنية الطباعة الضوئية, الرجاء الاطلاع على المرجع التالي: 
Ralph Dammel, "Diazonaphtoquinone-based resists", SPIE Optical Engineering Press, Vol TT11 (1993).
يتم تسخين الشريحة قبل وضعها في محلول الإظهار وذلك بغرض اضعاف تأثير الموجات الموقوفة والتي تحدث نتيجة التداخلات البناءة والهدامة بين الموجات الضوئية الساقطة على المادة المقاومة للضوء. وتحتوي محاليل الإظهار عادة على مركب هيدروكسيد الصوديوم, ولكن الصوديوم يعتبر في هذه الحالة عنصر غير مرغوب فيه نظراً لانه يسبب خللاً في ألية عمل العديد من اللوحات الإلكترونية المطبوعة مما يؤدي إلى تقليل كفاءتها العملية.
بعد ذلك يتم تسخين الشريحة إلى درجات حرارة عالية نسبياً تترواح من 120 إلى 180 درجة مئوية ولفترة زمنية تترواح من 20 إلى 30 دقيقة وذلك بغرض زيادة صلابة الطبقة المتبقية من المادة المقاومة للضوء لتصبح أكثر متانة حتى تتحمل عملية الحفر على الشريحة والتي تتم باستخدام احدى التقنيات التالية الحفر بزرع الأيونات أو الحفر بالكيمياء السائلة أو الحفر بالبلازما.

ازالة المادة المقاومة للضوء

بعد الانتهاء من مرحلة الحفر والتشكيل, تصبح المادة المقاومة للضوء عديمة الفائدة ويجب ازالتها من على سطح الشريحة. ويتم هذا عادة باستخدام محلول كيميائي يقوم بتغيير الخصائص الكيميائية للمادة بحيث تفقد ميزة الالتصاق بسطح الشريحة. ويمكن أيضا استخدام مصدر البلازما المحتوي على غاز الاكسجين لا زالة المادة المقاومة للضوء فيما يسمى بعملية الرماد وهي مشابهة في الأساس لتقنية الحفر الجاف.

أنظمة التعريض والطباعة

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.

الإسقاط

تستخدم تقنية طباعة الإسقاط في تصنيع الأنظمة المتكاملة ذات الابعاد الكبيرة. وبالمقارنة مع طباعات التلاصق والتجاور, فإن طباعة الإسقاط لاتحتاج أغطية ضوئية ذات مساحات كبيرة حيث أنها تقوم بإسقاط الأشعة الضوئية المنعكسة من الغطاء الضوئي على الشريحة مرات عديدة متتالية باستخدام تقنيات مثل الإسقاط المرحلي المتتابع أو الإسقاط المساحي لتكوين صورة الشكل الهندسي بالكامل على سطح الشريحة. بالإضافة إلى ذلك فإن طباعة الإسقاط تتميز بالدقة التحليلية العالية لانها تقوم بتصوير أجزاء نقطية صغيرة جدا من الغطاء الضوئي كل على حدة مقارنة بنوعي الطباعة السابقين حيث يتم تصوير الشكل بالكامل مرة واحدة فقط.

المصادر الضوئية

يعتبر مصدر مصباح تفريغ الغازات 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, 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.
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 الالكترونات 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. 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.

الطرق التجريبية

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 الالكترونات, الطباعة باستخدام الاشعة السينية, الطباعة باستخدام الاشعة فوق البنفسجية المتطرفة والطباعة باستخدام اسقاط الايونات.