الطباعة الضوئية

الطباعة الضوئية (المعروفة أيضًا باسم الطباعة الضوئية ) هي عملية تستخدم في تصنيع الدوائر المتكاملة . وهي تتضمن استخدام الضوء لنقل نمط إلى ركيزة، عادةً رقاقة السيليكون .

تبدأ العملية بوضع مادة حساسة للضوء تسمى المقاومة الضوئية على الركيزة. ثم يتم وضع قناع ضوئي يحتوي على النمط المطلوب فوق المقاومة الضوئية. يتم تسليط الضوء من خلال القناع الضوئي، مما يؤدي إلى تعريض المقاومة الضوئية في مناطق معينة. تخضع المناطق المكشوفة لتغيير كيميائي، مما يجعلها إما قابلة للذوبان أو غير قابلة للذوبان في محلول المطور. بعد التطوير، يتم نقل النمط إلى الركيزة من خلال عمليات الحفر أو الترسيب الكيميائي للبخار أو زرع الأيونات .

يتم استخدام الضوء فوق البنفسجي (UV) عادةً. ^[1]

يمكن تصنيف عمليات الطباعة الضوئية وفقًا لنوع الضوء المستخدم، بما في ذلك الطباعة الضوئية فوق البنفسجية، والطباعة الضوئية فوق البنفسجية العميقة، والطباعة الضوئية فوق البنفسجية الشديدة (EUVL) ، والطباعة الضوئية بالأشعة السينية . يحدد طول موجة الضوء المستخدم الحد الأدنى لحجم الميزة التي يمكن تكوينها في المقاوم الضوئي.

تعد الطباعة الضوئية الحجرية الطريقة الأكثر شيوعًا في تصنيع أشباه الموصلات للدوائر المتكاملة ("ICs" أو "الرقائق")، مثل ذواكر الحالة الصلبة والمعالجات الدقيقة . يمكنها إنشاء أنماط صغيرة للغاية، يصل حجمها إلى بضعة نانومتر . إنها توفر تحكمًا دقيقًا في شكل وحجم الأشياء التي تصنعها. يمكنها إنشاء أنماط على رقاقة كاملة في خطوة واحدة، بسرعة وبتكلفة منخفضة نسبيًا. في الدوائر المتكاملة المعقدة، قد تمر الرقاقة بدورة الطباعة الضوئية الحجرية ما يصل إلى 50 مرة. إنها أيضًا تقنية مهمة للتصنيع الدقيق بشكل عام، مثل تصنيع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة . ومع ذلك، لا يمكن استخدام الطباعة الضوئية الحجرية لإنتاج أقنعة على الأسطح التي ليست مسطحة تمامًا. ومثل جميع عمليات تصنيع الرقائق، فهي تتطلب ظروف تشغيل نظيفة للغاية.

تعد الطباعة الضوئية فئة فرعية من الطباعة الدقيقة ، وهو المصطلح العام للعمليات التي تولد أغشية رقيقة منقوشة. تشمل التقنيات الأخرى في هذه الفئة الأوسع استخدام حزم الإلكترون القابلة للتوجيه ، أو في حالات نادرة، الطباعة النانوية ، أو التداخل ، أو المجالات المغناطيسية ، أو مجسات المسح . على مستوى أوسع، قد تتنافس مع التجميع الذاتي الموجه للهياكل الدقيقة والنانوية. ^[2]

تشترك الليثوغرافيا الضوئية في بعض المبادئ الأساسية مع التصوير الفوتوغرافي حيث يتم إنشاء النمط الموجود في المقاوم الضوئي عن طريق تعريضه للضوء - إما مباشرة عن طريق الإسقاط من خلال عدسة ، أو عن طريق إضاءة قناع يوضع مباشرة فوق الركيزة، كما هو الحال في الطباعة التلامسية . يمكن أيضًا اعتبار هذه التقنية نسخة عالية الدقة من الطريقة المستخدمة في صنع لوحات الدوائر المطبوعة . نشأ الاسم من تشبيه فضفاض بالطريقة الفوتوغرافية التقليدية لإنتاج ألواح للطباعة الليثوغرافية على الورق؛ ^[3] ومع ذلك، فإن المراحل اللاحقة في العملية تشترك في المزيد مع الحفر أكثر من الطباعة الحجرية التقليدية.

تتكون المقاومات الضوئية التقليدية عادة من ثلاثة مكونات: الراتنج، والمُحَسِّس، والمذيب.

إن الكلمات الجذرية photo و litho و graphy كلها ذات أصول يونانية، بمعنى "ضوء" و"حجر" و"كتابة" على التوالي. وكما يوحي الاسم المشتق منها، فإن الطباعة الضوئية هي طريقة طباعة (تعتمد في الأصل على استخدام ألواح طباعة الحجر الجيري) حيث يلعب الضوء دورًا أساسيًا.

في عشرينيات القرن التاسع عشر، اخترع نيسفور نيبس عملية تصوير فوتوغرافي استخدمت البيتومين اليهودي ، وهو أسفلت طبيعي، كأول مادة مقاومة للضوء . أصبحت الطبقة الرقيقة من البيتومين على صفيحة من المعدن أو الزجاج أو الحجر أقل قابلية للذوبان عندما تعرضت للضوء؛ يمكن بعد ذلك شطف الأجزاء غير المكشوفة بمذيب مناسب، مما يكشف عن المادة الموجودة تحتها، والتي تم بعد ذلك نقشها كيميائيًا في حمام حمضي لإنتاج لوحة طباعة. كانت حساسية البيتومين للضوء ضعيفة للغاية وكانت هناك حاجة إلى تعرضات طويلة جدًا، ولكن على الرغم من إدخال بدائل أكثر حساسية لاحقًا، فإن تكلفته المنخفضة ومقاومته الممتازة للأحماض القوية أطالت عمره التجاري حتى أوائل القرن العشرين.

في عام 1940، ابتكر أوسكار سوس مقاومًا ضوئيًا إيجابيًا باستخدام ديازونافثوكينون ، والذي عمل بطريقة معاكسة: كان الطلاء غير قابل للذوبان في البداية وأصبح قابلًا للذوبان حيث تعرض للضوء. ^[4] في عام 1954، طور لويس بلامبيك الابن لوحة الطباعة البارزة البوليمرية دايكريل، والتي جعلت عملية تصنيع اللوحة أسرع. ^[5] كان تطوير المقاومات الضوئية يتم في السابق على دفعات من الرقائق (معالجة الدفعات) مغموسة في حمام من المطور، لكن عروض العمليات الحديثة تقوم بتطوير رقاقة واحدة في كل مرة (معالجة رقاقة واحدة) لتحسين التحكم في العملية. ^[6]

في عام 1957، حصل جولز أندروس على براءة اختراع لعملية التصوير الضوئي لتصنيع أشباه الموصلات، أثناء عمله في مختبرات بيل. ^{[7] [8]} وفي الوقت نفسه، طور مو أبرامسون وستانيسلاوس دانكو من فيلق الإشارة بالجيش الأمريكي تقنية لطباعة الدوائر. ^[8]

في عام 1952، كلف الجيش الأمريكي جاي دبليو لاثروب وجيمس آر نال في المكتب الوطني للمعايير (لاحقًا مختبر الصمامات الماسية للجيش الأمريكي ، والذي اندمج في النهاية لتشكيل مختبر أبحاث الجيش الحالي ) بمهمة إيجاد طريقة لتقليل حجم الدوائر الإلكترونية من أجل ملاءمة الدوائر اللازمة بشكل أفضل في المساحة المحدودة المتاحة داخل الصمامات القريبة . ^[9] مستوحى من تطبيق المقاوم الضوئي، وهو سائل حساس للضوء يستخدم لتمييز حدود ثقوب المسامير في أجنحة الطائرات المعدنية، قرر نال أنه يمكن استخدام عملية مماثلة لحماية الجرمانيوم في الترانزستورات وحتى نقش السطح بالضوء. ^[10] أثناء التطوير، نجح لاثروب ونال في إنشاء دائرة متكاملة هجينة مصغرة ثنائية الأبعاد مع ترانزستورات باستخدام هذه التقنية. ^[9] في عام 1958، خلال مؤتمر مجموعة IRE المهنية للأجهزة الإلكترونية (PGED) في واشنطن العاصمة، قدموا أول ورقة لوصف تصنيع الترانزستورات باستخدام تقنيات التصوير الفوتوغرافي واعتمدوا مصطلح "الطباعة الضوئية" لوصف العملية، مما يمثل أول استخدام منشور للمصطلح لوصف أنماط أجهزة أشباه الموصلات. ^{[10] [3]}

على الرغم من حقيقة أن الطباعة الضوئية للمكونات الإلكترونية تتعلق بنقش نسخ معدنية مكررة، بدلاً من نقش الحجر لإنتاج "نسخة رئيسية" كما هو الحال في الطباعة الضوئية التقليدية، اختار لاثروب ونال مصطلح "الطباعة الضوئية" بدلاً من "الحفر الضوئي" لأن المصطلح الأول بدا "عالي التقنية". ^[9] بعد عام من المؤتمر، تمت الموافقة رسميًا على براءة اختراع لاثروب ونال على الطباعة الضوئية في 9 يونيو 1959. ^[11] ساهمت الطباعة الضوئية لاحقًا في تطوير أول دوائر متكاملة لأشباه الموصلات بالإضافة إلى أول رقائق دقيقة. ^[9]

تجمع عملية تكرار واحدة من الطباعة الضوئية عدة خطوات متتالية. تستخدم غرف العمليات النظيفة الحديثة أنظمة مسارات الرقاقة الآلية الآلية لتنسيق العملية. ^[12] يغفل الإجراء الموضح هنا بعض المعالجات المتقدمة، مثل عوامل التخفيف. ^[13] يتم تنفيذ عملية الطباعة الضوئية بواسطة مسار الرقاقة والمحرك/الماسح الضوئي، ويتم تثبيت نظام مسار الرقاقة والمحرك/الماسح الضوئي جنبًا إلى جنب. تُعرف أنظمة مسارات الرقاقة أيضًا بأنظمة طلاء/تطوير الرقاقة، والتي تؤدي نفس الوظائف. ^{[14] [15]} تم تسمية مسارات الرقاقة على اسم "المسارات" المستخدمة لحمل الرقاقات داخل الماكينة، ^[16] لكن الآلات الحديثة لا تستخدم المسارات. ^[15]

إذا كانت هناك ملوثات عضوية أو غير عضوية موجودة على سطح الرقاقة، فعادةً ما يتم إزالتها عن طريق المعالجة الكيميائية الرطبة، على سبيل المثال إجراء تنظيف RCA القائم على المحاليل التي تحتوي على بيروكسيد الهيدروجين . يمكن أيضًا استخدام محاليل أخرى مصنوعة من ثلاثي كلورو الإيثيلين أو الأسيتون أو الميثانول للتنظيف. ^[17]

يتم تسخين الرقاقة في البداية إلى درجة حرارة كافية لطرد أي رطوبة قد تكون موجودة على سطح الرقاقة؛ 150 درجة مئوية لمدة عشر دقائق كافية. يجب تنظيف الرقاقات المخزنة كيميائيًا لإزالة التلوث . يتم تطبيق "محفز التصاق" سائل أو غازي ، مثل Bis(trimethylsilyl)amine ("hexamethyldisilazane"، HMDS) ، لتعزيز التصاق المقاوم الضوئي بالرقاقة. تتفاعل الطبقة السطحية من ثاني أكسيد السيليكون على الرقاقة مع HMDS لتكوين ثاني أكسيد السيليكون ثلاثي المثيلة، وهي طبقة شديدة مقاومة للماء لا تختلف عن طبقة الشمع على طلاء السيارة. تمنع هذه الطبقة المقاومة للماء المطور المائي من الاختراق بين طبقة المقاوم الضوئي وسطح الرقاقة، وبالتالي تمنع ما يسمى برفع هياكل المقاوم الضوئي الصغيرة في النمط (التطوير). ولضمان تطوير الصورة، من الأفضل تغطيتها ووضعها فوق صفيحة ساخنة وتركها لتجف مع تثبيت درجة الحرارة عند 120 درجة مئوية. ^[18]

يتم تغطية الرقاقة بسائل مقاوم للضوء بواسطة طلاء الدوران . وبالتالي، يتم إخراج الطبقة العلوية من المقاومة بسرعة من حافة الرقاقة بينما لا تزال الطبقة السفلية تزحف ببطء شعاعيًا على طول الرقاقة. وبهذه الطريقة، تتم إزالة أي "نتوء" أو "تلال" من المقاومة، مما يترك طبقة مسطحة للغاية. ومع ذلك، قد تؤدي الأغشية اللزجة إلى ظهور حبيبات حافة كبيرة وهي مناطق عند حواف الرقاقة أو قناع الصورة ^[19] ذات سماكة مقاومة متزايدة يكون لتسويتها حدود فيزيائية. ^[20] غالبًا ما يتم إجراء إزالة حبيبات الحافة (EBR)، عادةً باستخدام فوهة، لإزالة هذه المقاومة الزائدة لأنها قد تتسبب بخلاف ذلك في تلوث الجسيمات. ^{[21] [22] [23]} يتم تحديد السُمك النهائي أيضًا من خلال تبخر المذيبات السائلة من المقاومة. بالنسبة للميزات الصغيرة جدًا والكثيفة (< 125 نانومتر أو نحو ذلك)، هناك حاجة إلى سماكات مقاومة أقل (< 0.5 ميكرون) للتغلب على تأثيرات الانهيار عند نسب أبعاد عالية؛ نسب الأبعاد النموذجية هي < 4: 1.

ثم يتم خبز الرقاقة المغطاة بطبقة مقاومة للضوء مسبقًا للتخلص من مذيب مقاومة الضوء الزائد، عادةً عند درجة حرارة تتراوح من 90 إلى 100 درجة مئوية لمدة تتراوح من 30 إلى 60 ثانية على صفيحة ساخنة. ^[24] يمكن تطبيق طلاء BARC (طلاء مضاد للانعكاس من الأسفل) قبل تطبيق مقاومة الضوء، لتجنب حدوث الانعكاسات تحت مقاومة الضوء وتحسين أداء مقاومة الضوء عند عقد أشباه الموصلات الأصغر مثل 45 نانومتر وما دون. ^{[25] [26] [27]} توجد أيضًا طلاءات مضادة للانعكاس من الأعلى (TARCs). ^[28] تعتبر طباعة EUV فريدة من نوعها بمعنى أنها تسمح باستخدام مقاومة الضوء مع أكاسيد معدنية. ^[29]

بعد الخبز المسبق، يتعرض المقاوم الضوئي لنمط من الضوء الشديد. يتسبب التعرض للضوء في حدوث تغير كيميائي يسمح بإزالة جزء من المقاوم الضوئي بواسطة محلول خاص يسمى "المطور" قياسًا على المطور الفوتوغرافي . يصبح المقاوم الضوئي الإيجابي، وهو النوع الأكثر شيوعًا، قابلًا للذوبان في المطور عند تعرضه؛ مع المقاوم الضوئي السلبي، تكون المناطق غير المعرضة قابلة للذوبان في المطور.

يتم إجراء عملية الخبز بعد التعرض (PEB) قبل التطوير، عادةً للمساعدة في تقليل ظاهرة الموجة الدائمة الناجمة عن أنماط التداخل المدمرة والبناءة للضوء الساقط. في الطباعة فوق البنفسجية العميقة، يتم استخدام كيمياء المقاومة المكبرة كيميائيًا (CAR). هذه المقاومة أكثر حساسية لوقت ودرجة حرارة وتأخير PEB، حيث تعمل المقاومة عن طريق تكوين حمض عندما تصطدم بها الفوتونات، ثم تخضع لتفاعل "التعرض" (تكوين حمض، وجعل البوليمر قابلاً للذوبان في المطور الأساسي، وإجراء تفاعل كيميائي يحفزه الحمض) والذي يحدث في الغالب في PEB. ^{[30] [31]}

يتم توصيل كيمياء التطوير على دوار، تمامًا مثل المقاوم الضوئي. غالبًا ما تحتوي المطورات في الأصل على هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). ومع ذلك، يُعتبر الصوديوم ملوثًا غير مرغوب فيه للغاية في تصنيع MOSFET لأنه يتسبب في تدهور الخصائص العازلة لأكاسيد البوابة (على وجه التحديد، يمكن لأيونات الصوديوم أن تهاجر داخل وخارج البوابة، مما يؤدي إلى تغيير جهد العتبة للترانزستور وجعل تشغيل الترانزستور أصعب أو أسهل بمرور الوقت). تُستخدم الآن مطورات خالية من الأيونات المعدنية مثل هيدروكسيد رباعي ميثيل الأمونيوم (TMAH). يمكن التحكم في درجة حرارة المطور بإحكام باستخدام خراطيم مغلفة (مزدوجة الجدار) إلى 0.2 درجة مئوية. ^[6] قد تؤثر الفوهة التي تغطي الرقاقة بالمطور على كمية المطور اللازمة. ^{[32] [15]}

يتم بعد ذلك "خبز" الرقاقة الناتجة إذا تم استخدام مقاومة غير مكبرة كيميائيًا، عادةً عند 120 إلى 180 درجة مئوية ^[33] لمدة 20 إلى 30 دقيقة. يعمل الخبز الصلب على تجميد المقاومة الضوئية المتبقية، لإنشاء طبقة حماية أكثر متانة في عملية زرع الأيونات في المستقبل ، أو الحفر الكيميائي الرطب ، أو الحفر البلازمي .

من مرحلة التحضير وحتى هذه الخطوة، يتم تنفيذ عملية الطباعة الضوئية بواسطة جهازين: جهاز أو ماسح ضوئي للطباعة الضوئية، وجهاز الطلاء/المطور. عادةً ما يتم تثبيت الجهازين جنبًا إلى جنب، ويتم "ربطهما" معًا. ^{[34] [27] [35]}

في عملية الحفر، يقوم عامل كيميائي سائل ("رطب") أو بلازما ("جاف") بإزالة الطبقة العليا من الركيزة في المناطق التي لا يحميها المقاوم الضوئي. في تصنيع أشباه الموصلات ، تُستخدم تقنيات الحفر الجاف عمومًا، حيث يمكن جعلها متباينة الخواص ، وذلك لتجنب إضعاف نمط المقاوم الضوئي بشكل كبير. يعد هذا ضروريًا عندما يكون عرض الميزات المراد تحديدها مشابهًا أو أقل من سمك المادة التي يتم حفرها (أي عندما تقترب نسبة العرض إلى الارتفاع من الواحد). تكون عمليات الحفر الرطبة متباينة الخواص بشكل عام، وهو أمر لا غنى عنه غالبًا للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ، حيث يجب "تحرير" الهياكل المعلقة من الطبقة الأساسية.

لقد أدى تطوير عملية الحفر الجاف المتباين الخواص منخفضة العيوب إلى تمكين نقل الميزات الأصغر حجمًا والتي تم تحديدها ضوئيًا في المادة المقاومة إلى مادة الركيزة.

بعد أن لم تعد هناك حاجة إلى مادة مقاومة للضوء، يجب إزالتها من الركيزة. يتطلب هذا عادةً "مزيل مقاومة" سائل، والذي يغير المقاومة كيميائيًا بحيث لم تعد تلتصق بالركيزة. بدلاً من ذلك، يمكن إزالة المقاومة للضوء بواسطة بلازما تحتوي على الأكسجين ، والتي تؤكسدها. تسمى هذه العملية رماد البلازما وتشبه الحفر الجاف. يعد استخدام مذيب 1-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) للمقاومة للضوء طريقة أخرى تستخدم لإزالة الصورة. عندما يتم إذابة المقاومة، يمكن إزالة المذيب بالتسخين إلى 80 درجة مئوية دون ترك أي بقايا. ^[36]

تنتج أنظمة التعريض عادةً صورة على الرقاقة باستخدام قناع ضوئي . يحجب القناع الضوئي الضوء في بعض المناطق ويسمح له بالمرور في مناطق أخرى. ( تقوم الطباعة الحجرية بدون قناع بإسقاط شعاع دقيق مباشرة على الرقاقة دون استخدام قناع، ولكنها لا تستخدم على نطاق واسع في العمليات التجارية.) يمكن تصنيف أنظمة التعريض الضوئي حسب البصريات التي تنقل الصورة من القناع إلى الرقاقة.

تنتج تقنية التصوير الضوئي هياكل ترانزستورية غشائية رقيقة أفضل من الإلكترونيات المطبوعة ، وذلك بسبب الطبقات المطبوعة الأكثر سلاسة، والأنماط الأقل تموجًا، والتسجيل الأكثر دقة لأقطاب مصدر الصرف. ^[37]

يضع محاذاة التلامس، وهو أبسط نظام تعريض، قناعًا ضوئيًا في اتصال مباشر مع الرقاقة ^[38] ويعرضها لضوء موحد. يضع محاذاة القرب فجوة صغيرة تبلغ حوالي 5 ميكرون بين قناع الضوء والرقاقة. ^[38] في كلتا الحالتين، يغطي القناع الرقاقة بالكامل، ويصمم كل قالب في نفس الوقت.

إن الطباعة/الطباعة الحجرية بالتلامس من الممكن أن تتسبب في تلف كل من القناع والرقاقة، ^[38] وكان هذا هو السبب الرئيسي للتخلي عنها لإنتاج كميات كبيرة. تتطلب كل من الطباعة الحجرية بالتلامس والقرب أن تكون شدة الضوء موحدة عبر الرقاقة بأكملها، وأن يتماشى القناع بدقة مع الميزات الموجودة بالفعل على الرقاقة. ومع استخدام العمليات الحديثة لرقائق كبيرة بشكل متزايد، أصبحت هذه الظروف صعبة بشكل متزايد.

غالبًا ما تستخدم عمليات البحث والنماذج الأولية الطباعة الحجرية التلامسية أو التقاربية، لأنها تستخدم أجهزة غير مكلفة ويمكنها تحقيق دقة بصرية عالية. الدقة في الطباعة الحجرية التقاربية تساوي تقريبًا الجذر التربيعي لحاصل ضرب الطول الموجي في مسافة الفجوة. وبالتالي، باستثناء الطباعة الحجرية الإسقاطية (انظر أدناه)، تقدم الطباعة التلامسية أفضل دقة، لأن مسافة الفجوة الخاصة بها تساوي تقريبًا صفرًا (مهملة سمك المقاوم الضوئي نفسه). بالإضافة إلى ذلك، قد تعمل الطباعة الحجرية النانوية على إحياء الاهتمام بهذه التقنية المألوفة، خاصة وأن تكلفة الملكية من المتوقع أن تكون منخفضة؛ ومع ذلك، تظل أوجه القصور في الطباعة التلامسية التي تمت مناقشتها أعلاه بمثابة تحديات.

تستخدم الطباعة الحجرية ذات التكامل واسع النطاق (VLSI) أنظمة الإسقاط. وعلى عكس أقنعة التلامس أو القرب، التي تغطي رقاقة كاملة، فإن أقنعة الإسقاط (المعروفة باسم "الشبكات") تعرض قالبًا واحدًا فقط أو مجموعة من القوالب (المعروفة باسم "الحقل") في جزء من الرقاقة في كل مرة. تقوم أنظمة التعريض الإسقاطي (المحركات أو الماسحات الضوئية) بإسقاط القناع على الرقاقة عدة مرات، وتغيير موضع الرقاقة مع كل إسقاط، لإنشاء النمط الكامل، ونمط الرقاقة بالكامل. الفرق بين المحركات والماسحات الضوئية هو أنه أثناء التعريض، يحرك الماسح الضوئي قناع الصورة والرقاقة في وقت واحد، بينما يحرك المحرك الرقاقة فقط. سبقت محاذاة قناع التلامس والقرب والإسقاط المحركات ^{[39] [40]} ولا تحرك قناع الصورة ولا الرقاقة أثناء التعريض وتستخدم أقنعة تغطي الرقاقة بالكامل. تستخدم ماسحات الطباعة الحجرية بالغمر طبقة من الماء فائق النقاء بين العدسة والرقاقة لزيادة الدقة. البديل للطباعة الضوئية هو الطباعة النانوية . يُعرف الحد الأقصى لحجم الصورة التي يمكن عرضها على رقاقة باسم حد الشبكة.

تنشأ صورة القناع من ملف بيانات محوسب. يتم تحويل ملف البيانات هذا إلى سلسلة من المضلعات وكتابتها على مربع من ركيزة الكوارتز المندمجة المغطاة بطبقة من الكروم باستخدام عملية الطباعة الضوئية. يتم استخدام شعاع الليزر (كاتب الليزر) أو شعاع من الإلكترونات (كاتب الشعاع الإلكتروني) لفضح النمط الذي يحدده ملف البيانات وينتقل فوق سطح الركيزة إما بطريقة المسح الضوئي المتجه أو النقطي. حيث يتم الكشف عن المقاومة الضوئية على القناع، يمكن نقش الكروم، مما يترك مسارًا واضحًا لضوء الإضاءة في نظام المحرك/الماسحة الضوئية لينتقل من خلاله.

إن القدرة على عرض صورة واضحة لسمة صغيرة على الرقاقة محدودة بطول موجة الضوء المستخدم، وقدرة نظام عدسة الاختزال على التقاط أوامر حيود كافية من القناع المضاء. تستخدم أدوات الليثوغرافيا الضوئية الحديثة الحديثة ضوء الأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) من الليزر الإكسيمري بأطوال موجية تبلغ 248 (KrF) و193 (ArF) نانومتر (وبالتالي فإن تقنية الليثوغرافيا السائدة اليوم تسمى أيضًا " الليثوغرافيا الضوئية بالليزر الإكسيمري ")، والتي تسمح بأحجام سمات دنيا تصل إلى 50  نانومتر. وبالتالي لعبت الليثوغرافيا الضوئية بالليزر الإكسيمري دورًا حاسمًا في التقدم المستمر لقانون مور على مدار العشرين عامًا الماضية (انظر أدناه ^[41] ).

يتم تحديد الحد الأدنى لحجم الميزة التي يمكن لنظام الإسقاط طباعتها تقريبًا من خلال:

${\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}$

حيث هو الحد الأدنى لحجم الميزة (ويسمى أيضًا البعد الحرج ، أو قاعدة تصميم الهدف ، أو " نصف الملعب ")، وهو الطول الموجي للضوء المستخدم، وهو الفتحة العددية للعدسة كما تُرى من الرقاقة. ${\displaystyle \,CD}$${\displaystyle \,\lambda }$${\displaystyle \,NA}$

${\displaystyle \,k_{1}}$(يُطلق عليه عادةً عامل k1 ) هو معامل يغلف العوامل المرتبطة بالعملية ويساوي عادةً 0.4 للإنتاج. ( هو في الواقع دالة لعوامل العملية مثل زاوية الضوء الساقط على الشبكة وتوزيع شدة الضوء الساقط. وهو ثابت لكل عملية.) يمكن تقليل الحد الأدنى لحجم الميزة عن طريق تقليل هذا المعامل من خلال الطباعة الحجرية الحاسوبية .${\displaystyle \,k_{1}}$

وفقًا لهذه المعادلة، يمكن تقليل أحجام الميزات الدنيا عن طريق تقليل الطول الموجي وزيادة الفتحة العددية (للوصول إلى شعاع أكثر تركيزًا وحجم بقعة أصغر). ومع ذلك، فإن طريقة التصميم هذه تواجه قيدًا منافسًا. في الأنظمة الحديثة، يعد عمق التركيز أيضًا مصدر قلق:

${\displaystyle D_{F}=k_{2}\cdot {\frac {\lambda }{\,{NA}^{2}}}}$

فيما يلي معامل آخر مرتبط بالعملية. يحد عمق التركيز من سمك المقاوم الضوئي وعمق التضاريس على الرقاقة. غالبًا ما يتم استخدام التلميع الميكانيكي الكيميائي لتسطيح التضاريس قبل خطوات الطباعة الحجرية عالية الدقة. ${\displaystyle \,k_{2}}$

من البصريات الكلاسيكية، k1=0.61 وفقًا لمعيار رايلي . ^[42] لن تحافظ صورة نقطتين مفصولتين بأقل من 1.22 طول موجي/NA على هذا الفصل ولكنها ستكون أكبر بسبب التداخل بين أقراص إيري للنقطتين. يجب أيضًا أن نتذكر، مع ذلك، أن المسافة بين ميزتين يمكن أن تتغير أيضًا مع عدم التركيز. ^[43]

الدقة ليست بالأمر السهل أيضًا في سياق ثنائي الأبعاد. على سبيل المثال، يؤدي ميل الخط الأكثر إحكامًا إلى فجوات أوسع (في الاتجاه العمودي) بين طرفي الخطوط. ^{[44] [45]} والأمر الأكثر أهمية هو أن الحواف المستقيمة تصبح مستديرة للميزات المستطيلة المختصرة، حيث تكون كل من ميلي x وy بالقرب من حد الدقة. ^{[46] [47] [48] [49]}

بالنسبة للعقد المتقدمة، يصبح التشويش، وليس الطول الموجي، هو العامل الرئيسي الذي يحد من الدقة. يتم تحديد الحد الأدنى للارتفاع بواسطة معامل التشويش سيجما/0.14. ^[50] يتأثر التشويش بالجرعة ^{[51] [52] [53]} بالإضافة إلى العائد الكمي، ^[54] مما يؤدي إلى مقايضة مع العيوب العشوائية، في حالة EUV. ^{[55] [56] [57]}

نظرًا لأن الضوء يتكون من فوتونات ، فعند الجرعات المنخفضة تعتمد جودة الصورة في النهاية على عدد الفوتونات. وهذا يؤثر على استخدام الطباعة فوق البنفسجية الشديدة أو EUVL ، والتي تقتصر على استخدام جرعات منخفضة في حدود 20 فوتون/نانومتر ^{2. [58]} ويرجع هذا إلى وجود عدد أقل من الفوتونات لنفس جرعة الطاقة لطول موجي أقصر (طاقة أعلى لكل فوتون). مع وجود عدد أقل من الفوتونات التي تشكل الصورة، يكون هناك ضوضاء في وضع الحافة. ^​​[59]

ستصبح التأثيرات العشوائية أكثر تعقيدًا مع أنماط الملعب الأكبر مع المزيد من أوامر الحيود واستخدام المزيد من نقاط مصدر الإضاءة. ^{[60] [61]}

تعمل الإلكترونات الثانوية في الطباعة الحجرية باستخدام الأشعة فوق البنفسجية القصوى على تفاقم الخصائص العشوائية. ^[62]

تاريخيًا، استخدمت الليثوغرافيا الضوئية الأشعة فوق البنفسجية من مصابيح التفريغ الغازي باستخدام الزئبق ، وأحيانًا بالاشتراك مع الغازات النبيلة مثل الزينون . تنتج هذه المصابيح الضوء عبر طيف واسع مع عدة ذروات قوية في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. يتم تصفية هذا الطيف لتحديد خط طيفي واحد . من أوائل الستينيات وحتى منتصف الثمانينيات، تم استخدام مصابيح الزئبق في الطباعة الحجرية لخطوطها الطيفية عند 436 نانومتر ("خط g") و405 نانومتر ("خط h") و365 نانومتر ("خط i"). ومع ذلك، مع احتياج صناعة أشباه الموصلات إلى دقة أعلى (لإنتاج رقائق أكثر كثافة وأسرع) وإنتاجية أعلى (بتكلفة أقل)، لم تعد أدوات الطباعة الحجرية القائمة على المصابيح قادرة على تلبية متطلبات الصناعة الراقية.

تم التغلب على هذا التحدي في عام 1982 عندما اقترح كانتي جين تقنية الطباعة الحجرية بالليزر الإكسيمري وتم عرضها في شركة آي بي إم. ^{[63] [64] [65] [66]} أصبحت آلات الطباعة الحجرية بالليزر الإكسيمري (المحركات والماسحات الضوئية) الأدوات الأساسية في إنتاج الإلكترونيات الدقيقة، وقد مكنت أحجام الميزات الدنيا في تصنيع الرقائق من الانكماش من 800 نانومتر في عام 1990 إلى 7 نانومتر في عام 2018. ^{[67] [68]} ومن منظور علمي وتكنولوجي أوسع، في تاريخ الليزر الممتد على مدار 50 عامًا منذ أول عرض له في عام 1960، تم الاعتراف باختراع وتطوير الطباعة الحجرية بالليزر الإكسيمري باعتباره إنجازًا رئيسيًا. ^{[69] [70] [71]}

الليزرات فوق البنفسجية العميقة المستخدمة بشكل شائع في أنظمة الطباعة الحجرية هي ليزر فلوريد الكريبتون (KrF) بطول موجة 248 نانومتر وليزر فلوريد الأرجون (ArF) بطول موجة 193 نانومتر. كانت الشركات المصنعة الأساسية لمصادر ضوء الليزر الإكسيمري في الثمانينيات هي Lambda Physik (الآن جزء من Coherent، Inc.) وLumonics. منذ منتصف التسعينيات، أصبحت Cymer Inc. المورد المهيمن لمصادر الليزر الإكسيمري لمصنعي معدات الطباعة الحجرية، مع Gigaphoton Inc. كمنافس أقرب لهم. بشكل عام، تم تصميم ليزر الإكسيمر للعمل بمزيج غازي محدد؛ لذلك، فإن تغيير الطول الموجي ليس بالأمر التافه، حيث أن طريقة توليد الطول الموجي الجديد مختلفة تمامًا، وتتغير خصائص امتصاص المواد. على سبيل المثال، يبدأ الهواء في الامتصاص بشكل كبير حول الطول الموجي 193 نانومتر؛ إن الانتقال إلى أطوال موجية أقل من 193 نانومتر يتطلب تركيب مضخة فراغ ومعدات تطهير على أدوات الطباعة الحجرية (وهو تحدٍ كبير). يمكن في بعض الأحيان استخدام جو من الغاز الخامل كبديل للفراغ، لتجنب الحاجة إلى السباكة الصلبة. علاوة على ذلك، فإن المواد العازلة مثل ثاني أكسيد السيليكون ، عند تعرضها للفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق، تطلق إلكترونات حرة وثقوبًا تسبب لاحقًا شحنًا سلبيًا.

تم توسيع نطاق الطباعة الضوئية لتشمل أحجامًا أقل من 50 نانومترًا باستخدام ليزر إكسيمر ArF بطول موجة 193 نانومتر وتقنيات الغمر السائل. يُطلق عليها أيضًا الطباعة الضوئية بالغمر ، وهذا يتيح استخدام البصريات ذات الفتحات الرقمية التي تتجاوز 1.0. عادةً ما يكون السائل المستخدم عبارة عن ماء نقي للغاية منزوع الأيونات، مما يوفر مؤشر انكسار أعلى من مؤشر الفجوة الهوائية المعتادة بين العدسة وسطح الرقاقة. يتم تدوير الماء باستمرار للقضاء على التشوهات الناتجة عن الحرارة. لن يسمح الماء إلا بـ NA يصل إلى ~1.4، ولكن السوائل ذات مؤشرات الانكسار الأعلى ستسمح بزيادة NA الفعالة بشكل أكبر .

تم بناء أدوات تجريبية باستخدام الطول الموجي 157 نانومتر من ليزر إكسيمر F2 بطريقة مماثلة لأنظمة التعرض الحالية. كانت هذه الأجهزة مستهدفة في السابق لخلافة الطباعة الحجرية بطول 193 نانومتر عند عقدة حجم الميزة 65 نانومتر، ولكن تم القضاء عليها الآن تقريبًا من خلال تقديم الطباعة الحجرية بالغمر. كان هذا بسبب المشاكل الفنية المستمرة مع تقنية 157 نانومتر والاعتبارات الاقتصادية التي قدمت حوافز قوية للاستمرار في استخدام تقنية الطباعة الحجرية بالليزر إكسيمر بطول 193 نانومتر. تعد الطباعة الحجرية بالغمر عالية المؤشر أحدث امتداد للطباعة الحجرية بطول 193 نانومتر للنظر فيه. في عام 2006، أظهرت شركة IBM ميزات أقل من 30 نانومتر باستخدام هذه التقنية. ^[72] استخدمت هذه الأنظمة عدسات فلوريد الكالسيوم CaF _2. ^{[73] [74]} تم استكشاف الطباعة الحجرية بالغمر بطول 157 نانومتر. ^[75]

تم إثبات أن ليزرات إكسيمر فوق البنفسجية تصل إلى حوالي 126 نانومتر (لـ Ar ₂ *). تم تصميم مصابيح قوس الزئبق للحفاظ على تيار مستمر ثابت يتراوح من 50 إلى 150 فولت، ومع ذلك فإن ليزرات إكسيمر تتمتع بدقة أعلى. ليزرات إكسيمر هي أنظمة إضاءة تعتمد على الغاز وعادة ما تكون مملوءة بغازات خاملة وهاليد (Kr و Ar و Xe و F و Cl) مشحونة بحقل كهربائي. كلما زاد التردد، زادت دقة الصورة. ليزرات KrF قادرة على العمل بتردد 4 كيلو هرتز. بالإضافة إلى التشغيل بتردد أعلى، فإن ليزرات إكسيمر متوافقة مع الآلات الأكثر تقدمًا من مصابيح قوس الزئبق. كما أنها قادرة على العمل من مسافات أكبر (تصل إلى 25 مترًا) وقادرة على الحفاظ على دقتها بسلسلة من المرايا والعدسات المطلية بطبقة مضادة للانعكاس. من خلال إعداد العديد من أجهزة الليزر والمرايا، يتم تقليل كمية فقدان الطاقة، كما أن العدسات مطلية بمادة مضادة للانعكاس، وتظل شدة الضوء كما هي نسبيًا من لحظة خروجه من الليزر إلى لحظة اصطدامه بالرقاقة. ^[76]

تم استخدام الليزر لتوليد ضوء الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة غير المتماسكة (EUV) بشكل غير مباشر عند 13.5 نانومتر للطباعة الحجرية فوق البنفسجية المتطرفة . لا ينبعث ضوء EUV من الليزر، بل من بلازما القصدير أو الزينون التي يتم إثارتها بواسطة إكسيمر أو ليزر ثاني أكسيد الكربون _. [ ^77] لا تتطلب هذه التقنية سنكروترونًا، ولا تنتج مصادر EUV، كما هو مذكور، ضوءًا متماسكًا. ومع ذلك، هناك حاجة إلى أنظمة الفراغ وعدد من التقنيات الجديدة (بما في ذلك طاقات EUV أعلى بكثير مما يتم إنتاجه الآن) للعمل مع الأشعة فوق البنفسجية على حافة طيف الأشعة السينية (الذي يبدأ عند 10 نانومتر). اعتبارًا من عام 2020، يتم استخدام EUV في الإنتاج الضخم من قبل مصانع الصب الرائدة مثل TSMC وSamsung.

من الناحية النظرية، يعد الليزر الإلكتروني الحر (أو قد نقول Xaser لجهاز الأشعة السينية) مصدرًا بديلًا للضوء للطباعة الضوئية، وخاصةً إذا استمرت الأطوال الموجية في الانخفاض إلى الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية الشديدة، حيث يمكن لليزر الإلكتروني الحر إنتاج أشعة عالية الجودة بأطوال موجية عشوائية.

كما تم استخدام ليزر الفمتوثانية المرئي والأشعة تحت الحمراء في الطباعة الحجرية. في هذه الحالة، تبدأ التفاعلات الكيميائية الضوئية عن طريق امتصاص الفوتونات المتعددة. إن استخدام مصادر الضوء هذه له العديد من الفوائد، بما في ذلك إمكانية تصنيع أشياء ثلاثية الأبعاد حقيقية ومعالجة مواد زجاجية غير حساسة للضوء (نقية) ذات مرونة بصرية فائقة. ^[78]

لقد كانت تقنية الطباعة الضوئية تهزم توقعات زوالها لسنوات عديدة. على سبيل المثال، بحلول أوائل الثمانينيات، أصبح الكثيرون في صناعة أشباه الموصلات يعتقدون أن الميزات الأصغر من 1 ميكرون لا يمكن طباعتها بصريًا. تطبع التقنيات الحديثة التي تستخدم الطباعة الضوئية بالليزر الإكسيمري بالفعل ميزات بأبعاد جزء بسيط من الطول الموجي للضوء المستخدم - وهو إنجاز بصري مذهل. تستمر التقنيات الجديدة مثل الطباعة الضوئية بالغمر ومقاومة اللونين والأنماط المتعددة في تحسين دقة الطباعة الضوئية 193 نانومتر. وفي الوقت نفسه، يستكشف البحث الحالي بدائل للأشعة فوق البنفسجية التقليدية، مثل الطباعة الضوئية بحزمة الإلكترون والطباعة الضوئية بالأشعة السينية والطباعة الضوئية فوق البنفسجية الشديدة والطباعة الضوئية بالإسقاط الأيوني . دخلت الطباعة الضوئية فوق البنفسجية الشديدة الاستخدام في الإنتاج الضخم، اعتبارًا من عام 2018 من قبل شركة سامسونج ^[79] وتبعتها شركات تصنيع أخرى.

تم استكشاف تقنية الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الإلكترونات المتوازية الضخمة كبديل للطباعة الضوئية، وتم اختبارها بواسطة شركة TSMC، لكنها لم تنجح وتم شراء التكنولوجيا من المطور الرئيسي لهذه التقنية، MAPPER، بواسطة شركة ASML، على الرغم من استخدام تقنية الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الإلكترونات في وقت ما في إنتاج الرقائق بواسطة شركة IBM. ^{[80] [81]} تُستخدم تقنية الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الإلكترونات فقط في التطبيقات المتخصصة مثل إنتاج الأقنعة الضوئية. ^{[82] [83] [84] [85] [86]}

في عام 2001، أشارت منشورات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا إلى أن عملية الطباعة الضوئية تشكل حوالي 35% من إجمالي تكاليف معالجة الرقاقة. ^{[87] : 11}

في عام 2021، بلغت قيمة صناعة الطباعة الضوئية أكثر من 8 مليارات دولار أمريكي. ^[88]

• الطباعة النانوية بالقلم الغاطس
• الطباعة الحجرية الناعمة
• الطباعة الحجرية المغناطيسية
• مواد زجاجية نانوية
• الطباعة النمطية ، وهي عملية على نطاق واسع تستخدم لإنتاج أشكال ثلاثية الأبعاد
• مصنع رقائق
• كيمياء الطباعة الضوئية
• الطباعة الحجرية الحاسوبية
• شركة ASML القابضة
• مختبر الحويصلات الهوائية
• تصنيع الأجهزة شبه الموصلة

• مصادر التصوير الضوئي لجامعة بريغهام يونغ
• الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات – نظرة عامة على الطباعة الحجرية
• مقدمة عن الطباعة الضوئية – موقع IBM الذي يحتوي على مقالات متعلقة بالطباعة الضوئية