قناع ضوئي

القناع الضوئي (أو ببساطة القناع ) عبارة عن لوحة معتمة ذات مناطق شفافة تسمح بمرور الضوء بنمط محدد. تُستخدم الأقنعة الضوئية بشكل شائع في الطباعة الضوئية لإنتاج الدوائر المتكاملة (ICs أو "الرقائق") لإنتاج نمط على رقاقة رقيقة من مادة (عادةً السيليكون ). في صناعة أشباه الموصلات، يُطلق على القناع أحيانًا اسم الشبكة . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

في الطباعة الضوئية، تُستخدم عدة أقنعة بالتناوب، حيث يُعيد كل قناع إنتاج طبقة من التصميم النهائي، وتُعرف هذه الأقنعة مجتمعةً باسم مجموعة الأقنعة . يتميز القناع الضوئي المنحني بأنماط ذات انحناءات، وهو ما يختلف عن الأقنعة الضوئية التقليدية التي تحتوي على أنماط رأسية أو أفقية تمامًا، والمعروفة باسم هندسة مانهاتن. تتطلب هذه الأقنعة الضوئية معدات خاصة لتصنيعها. ^{[ 3 ]}

في إنتاج الدوائر المتكاملة خلال الستينيات وأوائل السبعينيات، استُخدم غشاء روبيليث معتم مُلصق على ورقة مايلر شفافة . كان تصميم إحدى الطبقات يُقطع في الروبيليث، يدويًا في البداية على طاولة رسم مضاءة (ثم لاحقًا آليًا ( راسمة ))، ثم يُقشر الروبيليث الزائد يدويًا، مُشكلاً الصورة الرئيسية لتلك الطبقة من الشريحة، والتي تُسمى غالبًا "العمل الفني". مع ازدياد تعقيد الشرائح وكبر حجمها، تطلّب الأمر استخدام روبيليث أكبر فأكبر، حتى أنها كانت تملأ جدار غرفة كاملة، وكان يتم تصغير الأعمال الفنية فوتوغرافيًا لإنتاج أقنعة ضوئية (استُبدلت هذه العملية لاحقًا بمولد الأنماط الضوئية لإنتاج الصورة الرئيسية). عند هذه المرحلة، كان من الممكن تجميع الصورة الرئيسية في صورة متعددة الشرائح تُسمى " الشبكة" . كانت الشبكة في الأصل صورة أكبر بعشر مرات لشريحة واحدة.

استُخدمت الشبكة، بتقنية الطباعة الضوئية المتكررة والحفر، لإنتاج قناع ضوئي بحجم صورة مطابق لحجم الشريحة النهائية. يمكن استخدام القناع الضوئي مباشرةً في المصنع أو استخدامه كقناع ضوئي رئيسي لإنتاج الأقنعة الضوئية النهائية العاملة.

مع تقلص حجم العناصر، كانت الطريقة الوحيدة لضبط تركيز الصورة بدقة هي وضعها مباشرةً على الرقاقة. غالبًا ما كانت هذه المحاذيات ترفع جزءًا من طبقة المقاوم الضوئي من الرقاقة إلى القناع الضوئي، مما يستدعي تنظيفه أو التخلص منه. دفع هذا إلى اعتماد الأقنعة الضوئية الرئيسية العكسية (انظر أعلاه)، والتي استُخدمت لإنتاج العدد المطلوب من الأقنعة الضوئية العاملة (باستخدام الطباعة الضوئية التلامسية والحفر). لاحقًا، أتاحت الطباعة الضوئية الإسقاطية عمرًا غير محدود للأقنعة الضوئية. وفي وقت لاحق، استخدمت الطباعة الضوئية المتدرجة المباشرة على الرقاقة شبكات التوجيه مباشرةً، مما أنهى استخدام الأقنعة الضوئية.

تطورت مواد أقنعة الطباعة الضوئية بمرور الوقت. في البداية، استُخدم زجاج الصودا ^{[ 4 ]} مع خاصية التعتيم لهاليد الفضة . لاحقًا، استُخدم زجاج البوروسيليكات ^{[ 5 ]} ، ثم السيليكا المنصهرة للتحكم في التمدد، بالإضافة إلى الكروم الذي يتميز بعتامة أفضل للأشعة فوق البنفسجية . ومنذ ذلك الحين، استُبدلت مولدات الأنماط الأصلية بتقنيات الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الإلكترونات ، وأنظمة كتابة الأقنعة التي تعمل بالليزر ، أو أنظمة الطباعة الحجرية بدون أقنعة ، والتي تُنتج الشبكات مباشرةً من التصميم المحوسب الأصلي.

تتكون أقنعة الطباعة الحجرية الضوئية عادةً من صفائح شفافة من السيليكا المنصهرة مغطاة بنمط محدد بواسطة طبقة رقيقة ماصة من الكروم (Cr) أو أكسيد الحديد (Fe₂O₃). _[ 6 _] ^{تُستخدم هذه الأقنعة} عند أطوال موجية تبلغ 365 نانومتر ، و248  نانومتر، و193  نانومتر. كما طُوّرت أقنعة ضوئية لأنواع أخرى من الإشعاع مثل 157  نانومتر، و13.5  نانومتر ( الأشعة فوق البنفسجية القصوى )، والأشعة السينية ، والإلكترونات ، والأيونات ؛ إلا أن ذلك يتطلب مواد جديدة كليًا للركيزة والطبقة الرقيقة للنمط. ^{[ 6 ]}

في تصنيع الدوائر المتكاملة ، تُغذّى مجموعة من الأقنعة الضوئية، يُحدد كل منها طبقة نمطية، إلى جهاز طباعة ضوئية أو ماسح ضوئي ، ويتم اختيارها بشكل فردي للتعريض. في تقنيات الطباعة المتعددة ، يُمثل القناع الضوئي جزءًا من نمط الطبقة.

تاريخيًا، في مجال الطباعة الضوئية لإنتاج الدوائر المتكاملة بكميات كبيرة ، كان هناك تمييز بين مصطلح "الشبكة الضوئية " أو ببساطة "الشبكة" ، ومصطلح "القناع الضوئي" . في حالة القناع الضوئي، توجد مطابقة تامة بين نمط القناع ونمط الرقاقة. كان القناع يغطي سطح الرقاقة بالكامل، والذي يتم تعريضه بالكامل في لقطة واحدة. كان هذا هو المعيار لأجهزة محاذاة الأقنعة بنسبة 1:1 التي حلت محلها أجهزة الطباعة الضوئية والماسحات الضوئية المزودة ببصريات تقليلية. ^{[ 7 ]} كما هو مستخدم في أجهزة الطباعة الضوئية والماسحات الضوئية التي تستخدم إسقاط الصور، [ ^{8 ] تحتوي} الشبكة عادةً على نسخة واحدة فقط، تُسمى أيضًا طبقة واحدة، من دائرة VLSI المصممة . (مع ذلك، تستخدم بعض عمليات تصنيع الطباعة الضوئية شبكات تحتوي على أكثر من طبقة موضوعة جنبًا إلى جنب على نفس القناع، وتُستخدم كنسخ لإنشاء عدة دوائر متكاملة متطابقة من قناع ضوئي واحد). في الاستخدام الحديث، أصبح مصطلحا "الشبكة الضوئية" و"القناع الضوئي" مترادفين. ^{[ 9 ]}

في أجهزة المسح الضوئي الحديثة، يُسقط النمط الموجود في القناع الضوئي ويُصغّر بمقدار أربعة أو خمسة أضعاف على سطح الرقاقة. ^{[ 10 ]} ولتحقيق تغطية كاملة للرقاقة، تُنقل الرقاقة بشكل متكرر من موضع إلى آخر تحت العمود البصري أو عدسة جهاز المسح الضوئي حتى يتم تعريضها بالكامل. يُستخدم قناع ضوئي يحتوي على عدة نسخ من تصميم الدائرة المتكاملة لتقليل عدد مرات النقل المطلوبة لتعريض الرقاقة بالكامل، مما يزيد الإنتاجية.

تتطلب العناصر التي  يبلغ حجمها 150 نانومتر أو أقل عادةً تقنية إزاحة الطور لتحسين جودة الصورة إلى قيم مقبولة. ويمكن تحقيق ذلك بعدة طرق. الطريقتان الأكثر شيوعًا هما استخدام طبقة خلفية لإزاحة الطور المخففة على القناع لزيادة تباين قمم الشدة الصغيرة، أو حفر الكوارتز المكشوف بحيث يمكن استخدام الحافة بين المناطق المحفورة وغير المحفورة لتصوير شدة شبه معدومة. في الحالة الثانية، يلزم قص الحواف غير المرغوب فيها بتعريض آخر. تُعرف الطريقة الأولى بإزاحة الطور المخففة ، وغالبًا ما تُعتبر تحسينًا ضعيفًا، وتتطلب إضاءة خاصة للحصول على أقصى قدر من التحسين، بينما تُعرف الطريقة الثانية بإزاحة الطور ذات الفتحة المتناوبة ، وهي تقنية التحسين القوي الأكثر شيوعًا.

مع تصغير خصائص أشباه الموصلات المتطورة ، لا بد أن تتصغير خصائص الأقنعة الضوئية الأكبر حجمًا بأربعة أضعاف. قد يُشكل هذا تحديات، إذ سيتعين أن يصبح غشاء الامتصاص أرق، وبالتالي أقل شفافية. ^{[ 11 ]} وجدت دراسة أجراها مركز IMEC عام 2005 أن استخدام أغشية امتصاص أرق يُضعف تباين الصورة، وبالتالي يُساهم في خشونة حواف الخطوط، وذلك باستخدام أحدث أدوات الطباعة الضوئية. ^{[ 12 ]} يتمثل أحد الحلول الممكنة في الاستغناء عن أغشية الامتصاص تمامًا واستخدام أقنعة "خالية من اللون"، بالاعتماد فقط على إزاحة الطور للتصوير. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

كان لظهور تقنية الطباعة الحجرية بالغمر تأثير كبير على متطلبات أقنعة الطباعة الضوئية. يُعد قناع إزاحة الطور المخفف، الشائع الاستخدام، أكثر حساسية لزوايا السقوط العالية المُطبقة في الطباعة الحجرية "ذات الفتحة العددية العالية"، وذلك بسبب طول المسار البصري عبر الفيلم المنقوش. ^{[ 15 ]} أثناء التصنيع، يُستخدم فحصٌ باستخدام نوع خاص من المجهر يُسمى المجهر الإلكتروني الماسح للأبعاد الحرجة (CD-SEM) لقياس الأبعاد الحرجة على أقنعة الطباعة الضوئية، وهي أبعاد الأنماط الموجودة على القناع. ^{[ 16 ]}

تُكبَّر صور الأقنعة الضوئية الأمامية (المُصحَّحة مسبقًا) لأنماط الرقاقة النهائية أربع مرات. وقد كان عامل التكبير هذا ميزةً رئيسيةً في تقليل حساسية النمط لأخطاء التصوير. مع ذلك، ومع استمرار تصغير الميزات، يبرز اتجاهان: الأول هو أن عامل خطأ القناع يبدأ بتجاوز الواحد، أي أن خطأ الأبعاد على الرقاقة قد يكون أكثر من ربع خطأ الأبعاد على القناع، ^{[ 18 ]} والثاني هو أن ميزة القناع تصبح أصغر، ويقترب هامش الخطأ في الأبعاد من بضعة نانومترات. على سبيل المثال،  يجب أن يتوافق نمط رقاقة بحجم 25 نانومترًا مع نمط قناع بحجم 100  نانومتر، ولكن هامش الخطأ في الرقاقة قد يكون 1.25  نانومتر (5% من المواصفات)، وهو ما يُترجم إلى 5  نانومترات على القناع الضوئي. ويمكن أن يتجاوز تباين تشتت حزمة الإلكترونات في كتابة نمط القناع الضوئي مباشرةً هذا الحد بسهولة. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

يُستخدم مصطلح "الغشاء الرقيق" للدلالة على "الفيلم" أو "الغشاء الرقيق". منذ ستينيات القرن الماضي، استُخدم غشاء رقيق مشدود على إطار معدني، يُعرف أيضًا باسم "الغشاء الرقيق"، كمقسم شعاع للأجهزة البصرية. وقد استُخدم في العديد من الأجهزة لتقسيم شعاع الضوء دون إحداث أي تغيير في المسار البصري نظرًا لسمكه الرقيق. في عام 1978، حصل شيا وزملاؤه في شركة IBM على براءة اختراع لعملية استخدام "الغشاء الرقيق" كغطاء واقٍ من الغبار لحماية قناع ضوئي أو شبكة. في سياق هذه المقالة، يُقصد بـ"الغشاء الرقيق" "غطاء واقٍ من الغبار مصنوع من غشاء رقيق لحماية قناع ضوئي".

يُعدّ تلوث الجسيمات مشكلةً كبيرةً في صناعة أشباه الموصلات. تُحمى قناع الطباعة الضوئية من الجسيمات بواسطة غشاء رقيق شفاف يُمدد فوق إطار مُلصق على أحد جانبي القناع. يقع هذا الغشاء على مسافة كافية من أنماط القناع بحيث تكون الجسيمات متوسطة إلى صغيرة الحجم التي تهبط عليه خارج نطاق التركيز، ما يحول دون طباعتها. ورغم تصميمها لحجب الجسيمات، تُصبح هذه الأغشية جزءًا من نظام التصوير، لذا يجب مراعاة خصائصها البصرية. تُصنع هذه الأغشية من النيتروسليلوز، وهي مُصممة لأطوال موجية مختلفة. تُصنع الأغشية الحالية من السيليكون متعدد التبلور، وتستكشف الشركات مواد أخرى لتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى ذات الفتحة العددية العالية، مثل أنابيب الكربون النانوية ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} ، وعمليات تصنيع الرقائق المستقبلية ^{[ 24 ] [ 25 ] .} 

يُقدّم المؤتمر السنوي لتقنية أقنعة التصوير الضوئي (SPIE ) تقرير تقييم صناعة الأقنعة (SEMATECH) ، والذي يتضمن تحليلاً للوضع الراهن للصناعة ونتائج استطلاع رأي سنوي يُجرى على مُصنّعي أقنعة التصوير الضوئي. وفيما يلي قائمة بالشركات المُدرجة حسب حصتها في السوق العالمية (بيانات عام 2009): ^{[ 26 ]}

• مطبعة داي نيبون
• توبان فوتوماسكس (الآن تيكسند)
• شركة فوترونيكس
• شركة هويا
• شركة تايوان ماسك
• كومبيوغرافيكس

تمتلك شركات تصنيع الرقائق الرئيسية مثل إنتل ، وجلوبال فاوندريز ، وآي بي إم ، وإن إي سي ، وتي إس إم سي ، ويو إم سي ، وسامسونج ، ومايكرون تكنولوجي ، مرافق تصنيع أقنعة كبيرة خاصة بها أو مشاريع مشتركة مع الشركات المذكورة أعلاه.

قُدّر حجم سوق أقنعة الطباعة الضوئية العالمي بنحو 3.2 مليار دولار أمريكي في عام 2012 ^{[ 27 ]} و3.1 مليار دولار أمريكي في عام 2013. وكان ما يقرب من نصف السوق من نصيب ورش تصنيع الأقنعة التابعة لشركات تصنيع الرقائق الإلكترونية الكبرى. ^{[ 28 ]}

 قُدّرت تكاليف إنشاء مصنع جديد للأقنعة لعمليات 180 نانومتر في عام 2005 بمبلغ 40 مليون دولار، ولعمليات 130  نانومتر بأكثر من 100 مليون دولار. ^{[ 29 ]}

تراوح سعر شراء قناع ضوئي في عام 2006 بين 250 و100,000 دولار أمريكي ^{[ 30 ]} لقناع واحد عالي الجودة بتقنية إزاحة الطور . وقد يتطلب الأمر ما يصل إلى 30 قناعًا (بأسعار متفاوتة) لتكوين مجموعة أقنعة كاملة. ونظرًا لأن الرقائق الحديثة تُصنع من عدة طبقات متراصة فوق بعضها، فإن كل طبقة من هذه الطبقات تتطلب قناعًا واحدًا على الأقل.

• الطباعة الحجرية الحاسوبية
• حماية تصميم تخطيط الدوائر المتكاملة (أو "عمل القناع")
• فحص الكمامات
• مواد زجاجية نانوية القنوات
• واجهة SMIF
• مستوى متدرج