جهاز المشي

جهاز الطباعة الضوئية (أو جهاز طباعة الرقائق ) هو جهاز يُستخدم في تصنيع الدوائر المتكاملة . وهو جزء أساسي من عملية الطباعة الضوئية ، التي تُنتج ملايين العناصر الدقيقة للدوائر على سطح رقائق السيليكون التي تُصنع منها الرقائق الإلكترونية. يشبه في طريقة عمله جهاز عرض الشرائح أو جهاز تكبير الصور . تُشكل الدوائر المتكاملة المُصنّعة جوهر معالجات الحاسوب ، ورقائق الذاكرة ، والعديد من الأجهزة الإلكترونية الأخرى.

Stepper هو اختصار لكاميرا Step-and-Repeat.

ظهرت تقنية الطباعة الخطوية في أواخر سبعينيات القرن العشرين، لكنها لم تنتشر على نطاق واسع حتى ثمانينياته. ويعود ذلك إلى أنها حلت محل تقنية سابقة، وهي تقنية محاذاة الأقنعة . كانت تقنية المحاذاة تصوّر سطح الرقاقة بالكامل في آنٍ واحد، ما يُتيح إنتاج العديد من الرقاقات في عملية واحدة. في المقابل، كانت تقنية الطباعة الخطوية تصوّر رقاقة واحدة فقط في كل مرة، ولذا كانت أبطأ بكثير في التشغيل. وفي نهاية المطاف، حلت تقنية الطباعة الخطوية محل تقنية المحاذاة عندما فرضت قوانين مور استخدام أحجام أصغر للميزات. ولأن تقنية الطباعة الخطوية تصوّر رقاقة واحدة فقط في كل مرة، فقد وفرت دقة أعلى، وكانت أول تقنية تتجاوز حد الميكرون الواحد. وقد أدى إضافة أنظمة المحاذاة التلقائية إلى تقليل وقت الإعداد اللازم لتصوير دوائر متكاملة متعددة، وبحلول أواخر ثمانينيات القرن العشرين، حلت تقنية الطباعة الخطوية محل تقنية المحاذاة بشكل شبه كامل في سوق الأجهزة المتطورة.

استُبدلت أجهزة الطباعة الخطوية بأنظمة المسح الضوئي (أجهزة المسح) التي وفرت دقةً أعلى بعشرة أضعاف. تعمل أنظمة المسح الضوئي عن طريق مسح جزء صغير فقط من القناع الخاص بكل دائرة متكاملة، وبالتالي تتطلب أوقات تشغيل أطول بكثير من أجهزة الطباعة الخطوية الأصلية. انتشرت أنظمة المسح الضوئي على نطاق واسع خلال التسعينيات، وأصبحت شبه عالمية بحلول العقد الأول من الألفية الثانية. اليوم، أصبحت أنظمة المسح الضوئي منتشرة لدرجة أنها تُعرف غالبًا باسم أجهزة الطباعة الخطوية. ومن الأمثلة على أنظمة المسح الضوئي جهاز PAS 5500 من شركة ASML .

١٩٥٧: بدأت محاولات تصغير الدوائر الإلكترونية في عام ١٩٥٧ عندما مُنح جاي لاثروب وجيمس نال من مختبرات دايموند أوردنانس فيوز التابعة للجيش الأمريكي براءة اختراع رقم US2890395A لتقنية الطباعة الضوئية التي يمكن استخدامها لترسيب شرائح معدنية رقيقة تُستخدم بدورها لتوصيل الترانزستورات المنفصلة على لوحة خزفية. كما استُخدمت هذه التقنية لحفر ثقوب في طبقات ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂ ₎ لتصنيع مصفوفات ثنائية دقيقة. لاحقًا، في عام ١٩٥٩، انتقل لاثروب إلى شركة تكساس إنسترومنتس للعمل مع جاك كيلبي ، وانضم نال إلى شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات . ^{[ ١ ]}

1958: استنادًا إلى أعمالهم، قام جاي لاست وروبرت نويس في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات ببناء واحدة من أوائل كاميرات «التكرار المتتالي» التي تكرر أنماطًا متطابقة من الترانزستورات على رقاقة واحدة باستخدام الطباعة الضوئية. ^{[ 1 ]}

١٩٥٩: (أو في موعد لا يتجاوز ١٩٦١)؛ أصبحت شركة ديفيد دبليو مان، التابعة لشركة جي سي إيه، أول شركة تصنع أجهزة تجارية لتقليل حجم الأقنعة بتقنية التكرار المتدرج، والتي تُعرف باسم أجهزة التكرار الضوئي، وهي أسلاف أجهزة الطباعة الضوئية الحديثة. ^{[ ٢ ] [ ٣ ]} تم بيع الشركة لاحقًا إلى شركة جي سي إيه /مان وبيركن إلمر. ^{[ ٢ ]}

في عام ١٩٧٠، تأسست شركة كوبيلت على يد ثلاثة مهندسين من ألمانيا وإنجلترا (من شركة كاسبر إنسترومنتس)، بالإضافة إلى بائع واحد هو بيتر وولكن. صنعت الشركة ما سيُعرف لاحقًا باسم آلات طباعة الرقاقات أو آلات الطباعة الحجرية، والتي كانت تُسمى آنذاك آلات محاذاة الأقنعة . ^{[ أ ] [ ٥ ]} كانت إنتاجية هذه الآلة رقاقة واحدة بعرض بوصتين في كل مرة. ^{[ ٤ ] : ٢-٣}

كانت شركة كوبيلت، التي كانت تتاجر أيضًا في الخارج ولديها مصانع في هونغ كونغ، ممثلة في أوروبا في الأصل بشركة تسمى مواد أشباه الموصلات المتقدمة (ASM) يديرها آرثر ديل برادو في هولندا ، والذي أسس شركة ASML في منتصف الستينيات. ^{[ 4 ] : ​​7}

في حوالي عام 1971، استحوذت شركة كومبيوترفيجن على جهاز كوبيلت ، الذي كان قد قام بأتمتة جهاز كوبيلت بشكل كبير. ^{[ 4 ] : ​​2-3}

في عام 1973، قدمت شركة بيركن-إلمر جهاز محاذاة الإسقاط Micralign . ^{[ 6 ] [ 7 ]} وقد ساهم هذا الجهاز في تقليل كمية الرقائق المعيبة التي أدت إلى انخفاض الإنتاجية، كما عزز صناعة الدوائر المتكاملة بشكل كبير من خلال المساعدة في خفض أسعار الرقائق.

قدمت شركة GCA أول جهاز طباعة متدرجة ناجح، وهو DSW 4800، في عام 1975. وقد تمكن من الوصول إلى أبعاد حرجة تبلغ 1 ميكرون، وهو أفضل من أي نظام آخر في ذلك الوقت. ^{[ 8 ]}

تُصنع الدوائر المتكاملة (ICs) بعملية تُعرف باسم الطباعة الضوئية. تبدأ هذه العملية ببلورة أسطوانية كبيرة عالية النقاء من مادة أشباه الموصلات تُعرف باسم " البلورة" . تُقطع شرائح رقيقة من هذه البلورة لتشكيل أقراص، ثم تخضع لمعالجة أولية لإنتاج رقاقة سيليكون خام .

تُطبع عناصر الدائرة المراد إنشاؤها على الرقاقة المتكاملة بنمط من المناطق الشفافة والمعتمة على سطح لوحة زجاجية أو بلاستيكية تُسمى قناعًا ضوئيًا أو شبكة. تُغطى الرقاقة بمادة حساسة للضوء تُسمى المقاوم الضوئي . يُوضع القناع فوق الرقاقة، ويُسلط ضوء ساطع، عادةً ما يكون فوق بنفسجي ، من خلاله. يؤدي التعرض للضوء إلى تصلب أو تليين أجزاء من المقاوم الضوئي، وذلك حسب العملية.

بعد التعريض للضوء، تُطوَّر الرقاقة كما تُطوَّر الأفلام الفوتوغرافية، مما يؤدي إلى ذوبان طبقة المقاوم الضوئي في مناطق محددة تبعًا لكمية الضوء التي تلقتها هذه المناطق أثناء التعريض. وتُعيد هذه المناطق، سواءً تلك التي تحتوي على طبقة المقاوم الضوئي أو تلك التي لا تحتوي عليها، إنتاج النمط الموجود على الشبكة. ثم تُعرَّض الرقاقة المُطوَّرة للمذيبات . تعمل هذه المذيبات على إزالة السيليكون من أجزاء الرقاقة التي لم تعد محمية بطبقة المقاوم الضوئي. وتُستخدم مواد كيميائية أخرى لتغيير الخصائص الكهربائية للسيليكون في المناطق المكشوفة.

بعد ذلك، تُنظف الرقاقة، ثم تُغطى بطبقة من المقاوم الضوئي، ثم تُمرر عبر العملية مرة أخرى لإنشاء الدائرة على السيليكون طبقة تلو الأخرى. بمجرد اكتمال العملية، تُقطع الرقاقة إلى رقائق فردية، وتُختبر، وتُعبأ للبيع.

تتكون آلة الطباعة الخطية النموذجية من المكونات الفرعية التالية: وحدة تحميل الرقاقة، ومنصة الرقاقة، ونظام محاذاة الرقاقة، ووحدة تحميل الشبكة، ومنصة الشبكة، ونظام محاذاة الشبكة، وعدسة التصغير، ونظام الإضاءة. يتم تنفيذ برامج المعالجة لكل طبقة مطبوعة على الرقاقة بواسطة نظام تحكم مركزي، يتمحور حول جهاز كمبيوتر يقوم بتخزين برنامج المعالجة وقراءته والتواصل مع المكونات الفرعية المختلفة لآلة الطباعة الخطية لتنفيذ تعليمات البرنامج. تُحفظ مكونات آلة الطباعة الخطية داخل حجرة محكمة الإغلاق، تُحافظ على درجة حرارة دقيقة لمنع أي تشوهات في الأنماط المطبوعة قد تنتج عن تمدد أو انكماش الرقاقة بسبب تغيرات درجة الحرارة. تحتوي الحجرة أيضًا على أنظمة أخرى تدعم عملية الطباعة، مثل نظام التكييف ، ووحدات التغذية الكهربائية ، ولوحات التحكم الخاصة بالمكونات الكهربائية المختلفة، وغيرها.

تُغطى رقائق السيليكون بمادة مقاومة للضوء، وتوضع في علبة أو "حامل" يحتوي على عدد من الرقائق. ثم يوضع هذا الحامل في جزء من جهاز الطباعة ثلاثية الأبعاد يُسمى مُحمِّل الرقائق ، والذي يقع عادةً في الجزء الأمامي السفلي من الجهاز.

يقوم روبوت في جهاز تحميل الرقاقات بالتقاط إحدى الرقاقات من الكاسيت وتحميلها على منصة الرقاقات حيث تتم محاذاتها لتمكين عملية محاذاة أخرى أكثر دقة ستحدث لاحقًا.

يحتوي نمط الدوائر لكل شريحة على نقش محفور بالكروم على الشبكة، وهي عبارة عن صفيحة من الكوارتز الشفاف . يبلغ طول ضلع الشبكة المستخدمة في أجهزة الطباعة ثلاثية الأبعاد النموذجية 6 بوصات، وتبلغ مساحتها القابلة للاستخدام 104 مم × 132 مم.

تحتوي وحدة تحميل الأقنعة ، الموجودة عادةً في الجزء الأمامي العلوي من جهاز الطباعة الضوئية، على مجموعة متنوعة من الأقنعة، كل منها مناسب لمرحلة معينة من العملية. قبل تعريض الرقاقة للضوء، يقوم روبوت بتحميل قناع على منصة الأقنعة ، حيث تتم محاذاته بدقة متناهية. ولأن القناع نفسه يُستخدم لتعريض العديد من الرقاقات، فإنه يُحمّل مرة واحدة قبل تعريض سلسلة من الرقاقات، ويُعاد ضبط محاذاته دوريًا.

بمجرد وضع الرقاقة والشبكة في مكانها ومحاذاتها، فإن منصة الرقاقة، التي يتم تحريكها بدقة شديدة في الاتجاهين X و Y (من الأمام إلى الخلف ومن اليسار إلى اليمين) بواسطة براغي دودة أو محركات خطية ، تحمل الرقاقة بحيث يكون أول نمط من الأنماط العديدة (أو "اللقطات") التي سيتم تعريضها عليها موجودًا أسفل العدسة، مباشرة تحت الشبكة.

على الرغم من محاذاة الرقاقة بعد وضعها على منصة الرقاقات، إلا أن هذه المحاذاة غير كافية لضمان تطابق طبقة الدوائر المراد طباعتها على الرقاقة تمامًا مع الطبقات السابقة. لذا، تتم محاذاة كل لقطة باستخدام علامات محاذاة خاصة موجودة في نمط كل شريحة IC نهائية. بمجرد اكتمال هذه المحاذاة الدقيقة، تُعرَّض اللقطة لضوء نظام الإضاءة الخاص بالطابعة ، والذي يمر عبر القناع، ثم عبر عدسة مُصغِّرة ، وصولًا إلى سطح الرقاقة. يحدد برنامج المعالجة أو "الوصفة" مدة التعريض، والقناع المستخدم، بالإضافة إلى عوامل أخرى تؤثر على التعريض.

تُوضع كل لقطة في نمط شبكي على الرقاقة، وتُعرَّض بدورها للضوء أثناء تحريك الرقاقة ذهابًا وإيابًا تحت العدسة. عند تعريض جميع اللقطات على الرقاقة، يقوم روبوت تحميل الرقاقات بتفريغها، وتحل محلها رقاقة أخرى على المنصة. تُنقل الرقاقة المُعرَّضة للضوء لاحقًا إلى محلول مُظهِر، حيث تُعرَّض طبقة المقاوم الضوئي على سطحها لمواد كيميائية مُظهِرة تُزيل أجزاءً من المقاوم الضوئي، بناءً على ما إذا كانت قد تعرضت للضوء المار عبر الشبكة أم لا. ثم يُخضع السطح المُظهَر لعمليات أخرى من عمليات الطباعة الضوئية .

كان طول موجة الضوء المستخدم في نظام التعريض هو العامل الأكبر الذي يحد من القدرة على إنتاج خطوط أدق على سطح الرقاقة . ومع ازدياد دقة الخطوط المطلوبة، تم استخدام مصادر إضاءة ذات أطوال موجية أقصر تدريجيًا في أجهزة الطباعة الضوئية والماسحات الضوئية. وتُعد الطباعة النانوية بديلاً عن الطباعة الحجرية التقليدية القائمة على الضوء . ^{[ 9 ]}

تعتمد قدرة نظام التعريض، مثل نظام التعريض الضوئي المتدرج، على تمييز الخطوط الدقيقة على طول موجة الضوء المستخدم للإضاءة، وقدرة العدسة على التقاط الضوء (أو بالأحرى رتب الحيود ) القادم بزوايا متزايدة الاتساع (وتُسمى الفتحة العددية أو NA)، بالإضافة إلى التحسينات المختلفة في عملية التصوير نفسها. ويُعبَّر عن ذلك بالمعادلة التالية:

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

${\displaystyle \mathrm {CD} }$هل البُعد الحرج، أو أدق خط يمكن تمييزه،${\displaystyle k_{1}}$هو معامل يعبر عن العوامل المتعلقة بالعملية،${\displaystyle \lambda }$هو الطول الموجي للضوء، و${\displaystyle \mathrm {NA} }$يمثل الفتحة العددية. يؤدي تقليل الطول الموجي للضوء في نظام الإضاءة إلى زيادة قدرة التمييز للمحرك الخطي.

قبل عشرين عامًا، استُخدم خط "g" (436 نانومتر) من طيف الزئبق لإنتاج خطوط في نطاق 750 نانومتر في أجهزة الطباعة الضوئية التي تستخدم مصابيح الزئبق كمصدر إضاءة. وبعد عدة سنوات، طُرحت أنظمة تستخدم خط "i" فوق البنفسجي (365 نانومتر) من مصابيح الزئبق لإنتاج خطوط تصل إلى 350 نانومتر. ومع اقتراب عرض الخطوط المطلوبة من طول موجة الضوء المستخدم في إنتاجها، ثم تناقصه تدريجيًا، طُوّرت تقنيات متنوعة لتحسين الدقة ، مثل شبكات تغيير الطور وتقنيات مختلفة للتحكم في زوايا ضوء التعريض لزيادة قدرة العدسة على التمييز إلى أقصى حد.    

مع ذلك، أصبحت عروض الخطوط المطلوبة أضيق مما كان ممكنًا باستخدام مصابيح الزئبق، وفي منتصف العقد الأول من الألفية الثانية تقريبًا، اتجهت صناعة أشباه الموصلات نحو أجهزة الطباعة الضوئية التي تستخدم ليزرات إكسيمر فلوريد الكريبتون (KrF) التي تُنتج ضوءًا بطول موجي 248 نانومتر. تُستخدم هذه الأنظمة حاليًا لإنتاج خطوط في نطاق 110 نانومتر. كما تُنتج أجهزة الطباعة الضوئية ذات القدرة الإنتاجية خطوطًا بعرض يصل إلى 32 نانومتر باستخدام ليزرات إكسيمر فلوريد الأرجون (ArF) التي تُصدر ضوءًا بطول موجي 193 نانومتر. على الرغم من توفر ليزرات الفلوريد (F2) التي تُنتج ضوءًا بطول موجي 157 نانومتر، إلا أنها غير عملية نظرًا لانخفاض طاقتها وسرعة تدهورها لمقاوم الضوء والمواد الأخرى المستخدمة في جهاز الطباعة الضوئية.     

نظراً لعدم توفر مصادر ضوئية عملية بأطوال موجية أضيق من هذه الليزرات، فقد سعى المصنعون إلى تحسين الدقة عن طريق تقليل معامل العملية.${\displaystyle k_{1}}$يتم ذلك من خلال مواصلة تطوير تقنيات التحكم بالضوء أثناء مروره عبر نظام الإضاءة والشبكة، بالإضافة إلى تحسين تقنيات معالجة الرقاقة قبل وبعد التعريض. كما لجأ المصنّعون إلى استخدام عدسات أكبر حجمًا وأكثر تكلفة لزيادة الفتحة العددية. مع ذلك، تقترب هذه التقنيات من حدودها العملية،  ويبدو أن عرض الخطوط في نطاق 45 نانومتر هو الحد الأمثل الذي يمكن تحقيقه بالتصميم التقليدي.

في نهاية المطاف، سيتعين استخدام مصادر إضاءة أخرى، مثل حزم الإلكترونات أو الأشعة السينية أو مصادر مماثلة للطاقة الكهرومغناطيسية ذات أطوال موجية أقصر بكثير من الضوء المرئي . مع ذلك، ولتأجيل التكلفة الباهظة والصعوبة البالغة لاعتماد نوع جديد كليًا من تقنيات الإضاءة لأطول فترة ممكنة، لجأ المصنّعون إلى تقنية كانت تُستخدم سابقًا في المجاهر ، لزيادة الفتحة العددية للعدسة عن طريق السماح للضوء بالمرور عبر الماء بدلًا من الهواء . تُعرف هذه الطريقة باسم الطباعة الحجرية بالغمر ، وهي أحدث ما توصلت إليه تكنولوجيا الإنتاج العملية. يكمن سر نجاحها في أن الفتحة العددية تعتمد على أقصى زاوية للضوء الداخل إلى العدسة ومعامل انكسار الوسط الذي يمر الضوء من خلاله. عند استخدام الماء كوسيط، تزداد الفتحة العددية بشكل كبير، نظرًا لأن معامل انكساره يبلغ 1.44 عند 193 نانومتر، بينما يبلغ معامل انكسار الهواء 1.0003. آلات الإنتاج الحالية التي تستخدم هذه التقنية قادرة على حل الخطوط في نطاق 32 نانومتر، ^{[ 10 ]} وقد تتمكن في النهاية من تحقيق خطوط بحجم 30 نانومتر.   

تعتمد الماسحات الضوئية الحديثة على تقنية المسح التدريجي، حيث تعمل على زيادة طول المنطقة المعرضة للضوء في كل لقطة (حقل التعريض) عن طريق تحريك منصة الشبكة ومنصة الرقاقة في اتجاهين متعاكسين أثناء عملية التعريض. وبدلاً من تعريض الحقل بأكمله دفعة واحدة، يتم التعريض من خلال "شق تعريض" بعرض حقل التعريض، ولكن بطول جزء صغير منه فقط (مثل شق 9×25 مم لحقل 35×25 مم). ثم تُمسح الصورة الملتقطة من شق التعريض عبر منطقة التعريض.

تتميز هذه التقنية بعدة مزايا. إذ يُمكن تعريض المجال الضوئي بتقليص حجمه من القناع إلى الرقاقة بنسبة أقل (مثل تقليص الحجم بمقدار 4 أضعاف في الماسح الضوئي، مقارنةً بتقليصه بمقدار 5 أضعاف في جهاز الطباعة الضوئية)، مع إمكانية الحصول على حجم مجال ضوئي أكبر بكثير من ذلك الذي يُمكن تعريضه باستخدام جهاز الطباعة الضوئية التقليدي. كما يُمكن تحسين الخصائص البصرية لعدسة الإسقاط في المنطقة التي تمر من خلالها صورة شق الإسقاط، بينما يُمكن تجاهل الانحرافات البصرية خارج هذه المنطقة، لأنها لن تؤثر على المنطقة المعرضة على الرقاقة.

يتطلب المسح الضوئي الناجح تزامنًا دقيقًا للغاية بين الشبكة المتحركة ومراحل الرقاقة أثناء التعريض. ويطرح تحقيق ذلك العديد من التحديات التقنية.

• مستوى متدرج
• الطباعة الضوئية
• الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى
• أشباه الموصلات
• دائرة متكاملة

صانعو أجهزة المشي المتدرجة :

• ASML
• ألترا تك
• نيكون ، قسم الدقة
• كانون
• شركة أوشيو المحدودة
• تقنيات رودولف
• SUSS MicroTec
• شركة MAPPER LLC . ^{[ 11 ]}