كيمياء الطباعة الضوئية

الطباعة الضوئية هي عملية إزالة أجزاء محددة من الأغشية الرقيقة المستخدمة في التصنيع الدقيق . التصنيع الدقيق هو إنتاج أجزاء على المستويين الميكروي والنانوي، عادةً على سطح رقائق السيليكون ، لإنتاج الدوائر المتكاملة ، والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، والخلايا الشمسية ، وغيرها من الأجهزة. تُتيح الطباعة الضوئية هذه العملية من خلال الاستخدام المُدمج لسداسي ميثيل ثنائي سيلازان (HMDS)، ومقاوم ضوئي (موجب أو سالب)، والطلاء بالدوران ، وقناع ضوئي ، ونظام تعريض، ومواد كيميائية أخرى متنوعة. من خلال التحكم الدقيق في هذه العوامل، يُمكن إنشاء أي بنية دقيقة تقريبًا على سطح رقاقة السيليكون. ^{[ 1 ]} يُشكل التفاعل الكيميائي بين جميع المكونات المختلفة وسطح رقاقة السيليكون مشكلة كيميائية مثيرة للاهتمام في الطباعة الضوئية. وقد تمكنت الهندسة الحالية من إنشاء ميزات على سطح رقائق السيليكون يتراوح حجمها بين 1 و100 ميكرومتر . ^{[ 2 ]} 

تُقطع رقائق السيليكون من سبيكة صلبة من السيليكون النقي تقريبًا (99.9999999%). ويتم ذلك من خلال عملية نمو تشوخرالسكي ، الموضحة في الصورة المجاورة، والتي تُنتج بلورة سيليكون مكعبة ماسية واحدة سليمة . نظرًا لبنيته، يتميز السيليكون أحادي البلورة بخواص غير متجانسة ، مما يمنحه خصائص هيكلية وكهربائية مختلفة في اتجاهات المستويات المختلفة. باستخدام مؤشرات ميلر للدلالة على اتجاهات المستويات المختلفة، تُستخدم عادةً الأوجه (1,0,0) و(1,1,1) في رقائق السيليكون (انظر الصورة). تُوجه سبيكة السيليكون وتُقطع على طول أحد هذين المستويين لكشف ذلك السطح للمعالجة من خلال الطباعة الضوئية. يعتمد سبب استخدام أي من هذين الوجهين المستويين على التطبيق الذي ستُستخدم فيه رقاقة السيليكون، أو كيفية معالجتها. على أي حال، يعتمد هذا على استخدام المواد الكيميائية المستخدمة في الحفر، والمقاوم الضوئي، والأحماض لمعالجة السطح، وتعتمد التفاعلات الكيميائية لهذه المواد مع سطح البلورة على خصائص سطح ذلك الوجه البلوري. يوضح الجدول على اليمين طاقات السطح، والكثافات الذرية، والمسافة بين الذرات في المستويات الثلاثة لبلورة السيليكون. ^{[ 3 ]}

في الطباعة الضوئية، تُستخدم مركبات مقاومة الضوء لإنشاء قناع على سطح رقاقة السيليكون. يتيح هذا القناع تحكمًا دقيقًا في عمليات التطعيم والحفر المستخدمة لتشكيل الأجهزة على رقائق السيليكون. من المهم أن يتحمل القناع التفاعلات الكيميائية أثناء عملية الحفر. تتكون مركبات مقاومة الضوء من ثلاثة مكونات رئيسية: مذيب، وراتنج، ومحسِّس (أو مركب ضوئي). يُطبَّق المركب على رقاقة السيليكون في صورة سائلة، ويتم التحكم في عملية البلمرة من خلال تعريضه للضوء. نظرًا لأن مركبات مقاومة الضوء غير قطبية، بينما يتميز ثاني أكسيد السيليكون بقطبية عالية، فقد تظهر مشاكل في الالتصاق بين المادتين. عندما لا تلتصق مادة مقاومة الضوء بشكل صحيح، تفقد الميزات دقتها. يصبح التصاق مادة مقاومة الضوء بالغ الأهمية مع تصغير أحجام الميزات. ولإنشاء ميزات صغيرة بدقة، يجب جعل سطح رقاقة السيليكون كارهًا للماء لتعزيز التصاق مادة مقاومة الضوء.

يمكن ملاحظة خصائص الالتصاق واختبارها باستخدام اختبار قياس الزوايا . ويمكن قياس خصائص طاقة سطح رقاقة السيليكون بوضع قطرة من الماء منزوع الأيونات أو الإيثيلين جليكول وقياس زاوية التلامس للقطرة. وباستخدام معادلة يونغ والقيم المجدولة لطاقة السطح البيني، يمكننا تقدير طاقة سطح المادة الصلبة. ^{[ 8 ]}

• علاقة يونغ:${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SG} }=\gamma _{\mathrm {SL} }-\gamma _{\mathrm {LG} }\cos \theta _{\,}}$

${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SG} }}$- طاقة السطح البيني بين المادة الصلبة والبخار${\displaystyle {(J/m^{2})}}$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }}$- طاقة السطح البيني بين المواد الصلبة والسائلة${\displaystyle {(J/m^{2})}}$${\displaystyle \gamma _{\mathrm {LG} }}$- طاقة السطح البيني بين السائل والبخار${\displaystyle {(J/m^{2})}}$θ - زاوية التلامس

إحدى الطرق الشائعة لزيادة التصاق طبقة المقاوم الضوئي بسطح رقاقة السيليكون هي معالجة الرقاقة بسداسي ميثيل ثنائي سيلازان (HMDS). تتميز رقاقة السيليكون الجديدة بسطح قطبي وبعض الماء الممتص عليه. ^{[ 10 ]} يمكن تجفيف الرقاقة حراريًا لإزالة الماء الممتص، ثم معالجتها بـ HMDS، وهي عملية تُعرف أيضًا بمرحلة التجهيز. يُمكن وضع HMDS سائلًا على الرقاقة باستخدام محقنة بينما تكون الرقاقة مثبتة في قاعدة تفريغ في جهاز طلاء بالدوران . كما يُمكن تطبيق HMDS غازيًا في عملية تُعرف بالتجهيز بالبخار. يُعزز HMDS التصاق طبقة المقاوم الضوئي بالرقاقة لأنه يضمن أن يكون سطح الرقاقة كارهًا للماء . بعد معالجة HMDS، يتحول أكسيد سطح السيليكون إلى سيلان، مما يُنتج سطحًا غير قطبي. ^{[ 11 ]} يمتلك وجه السيليكون النقي (100) قيمة طاقة سطحية تبلغ 56.9  ملي نيوتن/متر، والتي تنخفض إلى قيمة 44.1  ملي نيوتن/متر بعد معالجة HMDS ^{[ 12 ]} الصيغة الجزيئية لسداسي ميثيل ثنائي سيلازان هي C ₆ H ₁₉ NSi ₂ .

تتضمن عملية الطلاء بالدوران أربعة عوامل أساسية: لزوجة المحلول، ومحتوى المادة الصلبة (الكثافة)، والسرعة الزاوية، وزمن الدوران. ^{[ 13 ]} يمكن الحصول على نطاق واسع من السماكات باستخدام هذه التقنية، حيث تتراوح السماكات عادةً بين 1 و200  ميكرومتر. وتُعد اللزوجة وسرعة الدوران من أهم العوامل المؤثرة على سماكة الطبقة الرقيقة. فكلما زادت لزوجة المذيب، زادت سماكة الطبقة، وكلما زادت سرعة دوران الرقاقة، قلت سماكة الطبقة. ومن خلال التحكم في هذين العاملين، يُمكن الحصول على نطاقات مختلفة من السماكات.

• السماكة:${\displaystyle d=({{4\rho \omega ^{2} \over \ 3\mu }t})^{-1/2}}$

ρ - الكثافة${\displaystyle {(kg/m^{3})}}$μ - اللزوجة${\displaystyle {(Pa\cdot s)}}$ω - السرعة الزاوية${\displaystyle {(rad/s)}}$الوقت​${\displaystyle {(s)}}$

ترتبط الكثافة واللزوجة بالخصائص الفعلية للمقاوم الضوئي. ويمكن التحكم في هذه الخاصية بتخفيف المقاوم الضوئي وإضافة مكونات مختلفة إليه لتغيير خصائصه. أما السرعة الزاوية والزمن فيرتبطان بجهاز الطلاء الدوراني وسرعة دورانه ومدة استمراره.

من المشاكل الشائعة في عملية الطلاء بالدوران تكوّن قطرات من المذيب على حافة رقاقة السيليكون. وتُستخدم عملية تُعرف باسم غسل الجانب الخلفي لإزالة هذه القطرات عن الرقاقة. ومن خلال برمجة سرعات دوران مختلفة في جهاز الطلاء بالدوران، يُمكن توحيد سُمك طبقة المذيب ومنع تكوّن القطرات على الحواف.

مع ذلك، فإنّ للطلاء بالدوران بعض القيود. ويعمل المهندسون والعلماء حاليًا على إيجاد طريقة أفضل لتطبيق طبقة مقاومة الضوء على ركيزة رقاقة السيليكون. قد يُسبب الطلاء بالدوران مشاكل في تضاريس الرقاقة، مثل عدم استدارة الركائز، أو كبر حجمها، أو هشاشتها، بالإضافة إلى استهلاك المواد. أحد الحلول المحتملة لهذه المشكلة هو رشّ طبقة مقاومة الضوء على السطح. ^{[ 14 ]} فبرشّ طبقة مقاومة الضوء على سطح الرقاقة بدلًا من طلائها بالدوران، يتم توفير كمية كبيرة من هذه الطبقة، ويمكن تصنيع أجزاء أصغر حجمًا وأكثر دقة. لا يزال الطلاء بالرشّ في مرحلة التطوير، ويتطلب المزيد من البحث لجعله فعالًا من حيث التكلفة وقابلًا للتطبيق.

• الطباعة الضوئية
• التصنيع الدقيق
• الطباعة الحجرية
• قناع ضوئي
• HMDS
• مقاوم للضوء
• طلاء بالدوران