الطباعة الحجرية بالأشعة السينية

تُعدّ الطباعة الحجرية بالأشعة السينية عمليةً تُستخدم في صناعة تصنيع أشباه الموصلات لإزالة أجزاء محددة من طبقة رقيقة من مادة مقاومة للضوء. وتعتمد هذه العملية على الأشعة السينية لنقل نمط هندسي من قناع إلى مادة مقاومة للضوء ، أو ما يُعرف ببساطة بـ"المقاومة"، على الركيزة، وذلك للوصول إلى أبعاد طوبولوجية متناهية الصغر للعنصر المطلوب. بعد ذلك، تُجرى سلسلة من المعالجات الكيميائية لنقش النمط الناتج في المادة الموجودة أسفل مادة المقاومة للضوء.

يُستخدم بشكل أقل شيوعًا في الإنتاج التجاري بسبب التكاليف الباهظة للمواد (مثل الذهب المستخدم في حجب الأشعة السينية) وما إلى ذلك. ^{[ 1 ]}

تستخدم تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة السينية أطوال موجية أقل من 1  نانومتر. تتغلب الأشعة السينية على حدود حيود الأشعة في الطباعة الحجرية الضوئية ، مما يسمح بتصغير حجم العناصر . إذا لم يكن مصدر الأشعة السينية متوازيًا، كما هو الحال مع إشعاع السنكروترون ، تُستخدم مرايا تجميع أساسية أو عدسات حيود بدلًا من العدسات الانكسارية المستخدمة في الطباعة الحجرية الضوئية. وكما هو الحال في الطباعة الحجرية الضوئية، تُضيء الأشعة السينية قناعًا موضوعًا أمام رقاقة مطلية بمادة مقاومة. تتميز الأشعة السينية بنطاقها العريض، وعادةً ما تصدر من سنكروترون صغير الحجم. تستخدم تقنية الطباعة الحجرية العميقة بالأشعة السينية (DXRL) أطوال موجية أقصر تصل إلى 0.1 نانومتر، وتقنيات مثل LIGA لتصنيع هياكل عميقة، بل وثلاثية الأبعاد.

تتكون القناع من مادة ماصة للأشعة السينية، عادةً من الذهب أو مركبات التنتالوم أو التنجستن ، على غشاء شفاف للأشعة السينية، عادةً من كربيد السيليكون أو الماس . يُكتب النمط على القناع بتقنية الطباعة الحجرية الإلكترونية المباشرة على مادة مقاومة يتم تطويرها باستخدام عمليات أشباه الموصلات التقليدية. يمكن شد الغشاء لتحقيق دقة عالية في التراكب.

حتى عام 2026، كانت معظم عروض الطباعة الحجرية بالأشعة السينية تُجرى عن طريق النسخ بدقة الصورة (بدون تكبير) على خط التباين الضبابي كما هو موضح في الشكل. ومع ذلك، ومع تزايد الحاجة إلى دقة عالية، اعتمدت الطباعة الحجرية بالأشعة السينية تقنية "التصغير الموضعي عن طريق الانحياز".تُطوَّر الهياكل الكثيفة من خلال عمليات تعريض متعددة مع تحريك. تشمل مزايا استخدام التصغير (3x) زيادة المسافة بين القناع والرقاقة وتحسين التباين، بالإضافة إلى تسهيل تصنيع القناع. هذه التقنية قابلة للتطبيق على المطبوعات الكثيفة بدقة 15 نانومتر .

تُنتج الأشعة السينية إلكترونات ثانوية كما هو الحال في الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى والطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون . وبينما يعود وضوح النمط الدقيق بشكل أساسي إلى الإلكترونات الثانوية الناتجة عن إلكترونات أوجيه ذات المسار القصير، فإن الإلكترونات الأولية تُحسّس المقاوم الضوئي على مساحة أكبر من مساحة التعرض للأشعة السينية. ورغم أن هذا لا يؤثر على دقة تباعد النمط، والتي تُحددها الطول الموجي والمسافة بين الإلكترونات، إلا أن تباين تعريض الصورة (الحد الأقصى - الحد الأدنى) / (الحد الأقصى + الحد الأدنى) ينخفض ​​لأن التباعد يكون في حدود مدى الإلكترون الضوئي الأولي. وتتأثر خشونة الجدران الجانبية وانحداراتها بهذه الإلكترونات الثانوية، إذ يمكنها أن تقطع مسافة بضعة ميكرومترات في المنطقة أسفل المادة الماصة، وذلك تبعًا لطاقة الأشعة السينية المُعرَّضة لها.تم نشر العديد من المطبوعات بحجم حوالي 30 نانومتر .

ومن مظاهر تأثير الإلكترون الضوئي التعرض للإلكترونات المتولدة من الأشعة السينية من أغشية الذهب السميكة المستخدمة في صنع أقنعة الأطفال.تشير عمليات المحاكاة إلى أن توليد الإلكترونات الضوئية من الركيزة الذهبية قد يؤثر على معدلات الذوبان.

تمتلك الإلكترونات الثانوية طاقات تبلغ 25 إلكترون فولت أو أقل، ويمكن توليدها بواسطة أي إشعاع مؤين ( الأشعة فوق البنفسجية البعيدة ، والأشعة فوق البنفسجية الشديدة، والأشعة السينية، والأيونات، والإلكترونات الأخرى). أما إلكترونات أوجيه، فتمتلك طاقات تصل إلى مئات الإلكترون فولت. وتُعد الإلكترونات الثانوية (الناتجة عن إلكترونات أوجيه والإلكترونات الضوئية الأولية، والتي تفوقها عددًا) العامل الرئيسي في تعريض المقاوم الضوئي للضوء.

تعتمد المدى النسبي للإلكترونات الضوئية الأولية وإلكترونات أوجيه على طاقاتها. وتعتمد هذه الطاقات بدورها على طاقة الإشعاع الساقط وتركيب المادة المقاومة. يوجد مجال واسع للاختيار الأمثل (انظر المرجع 3 من المقال). عندما تكون طاقة إلكترونات أوجيه أقل من طاقة الإلكترونات الضوئية الأولية، يكون مداها أقصر. يتحلل كلا النوعين إلى إلكترونات ثانوية تتفاعل مع الروابط الكيميائية.عندما تكون طاقات الجسيمات الثانوية منخفضة للغاية، فإنها تعجز عن كسر الروابط الكيميائية، وبالتالي تتوقف عن التأثير على دقة الطباعة. وتُثبت التجارب أن المدى المُجمّع أقل من 20  نانومترًا. من جهة أخرى، تتبع الجسيمات الثانوية نمطًا مختلفًا عند طاقات أقل من 30 إلكترون فولت تقريبًا: فكلما انخفضت الطاقة، زاد متوسط ​​المسار الحر، مع أنها لا تستطيع حينها التأثير على عملية تطوير المقاوم الضوئي.

مع اضمحلالها، تصبح الإلكترونات الضوئية الأولية وإلكترونات أوجيه غير قابلة للتمييز فيزيائيًا (كما في إحصاءات فيرمي-ديراك ) عن الإلكترونات الثانوية. ويكون مدى الإلكترونات الثانوية منخفضة الطاقة أحيانًا أكبر من مدى الإلكترونات الضوئية الأولية أو إلكترونات أوجيه. أما ما يهم في الطباعة الحجرية بالأشعة السينية فهو المدى الفعال للإلكترونات التي تمتلك طاقة كافية لتكوين أو كسر الروابط الكيميائية في المواد المقاومة السالبة أو الموجبة.

لا تُشحن الأشعة السينية.  ويُعيق متوسط ​​المسار الحر الكبير نسبيًا (حوالي 20 نانومترًا) للإلكترونات الثانوية التحكم في الدقة على مستوى النانومتر. وعلى وجه الخصوص، تعاني تقنية الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الإلكترونات من الشحن السالب الناتج عن الإلكترونات الساقطة، وما يتبعه من تشتت للحزمة، مما يحد من الدقة. ولذلك، يصعب تحديد المدى الفعال للإلكترونات الثانوية، والذي قد يكون أقل من 1  نانومتر.

ينتج عن متوسط ​​المسار الحر للإلكترونات مجتمعةً تشويش في الصورة، والذي يُنمذج عادةً بدالة غاوسية (حيث σ = التشويش) تُجرى عليها عملية التفاف مع الصورة المتوقعة. عندما تقترب الدقة المطلوبة من قيمة التشويش، تصبح صورة الجرعة أعرض من الصورة الهوائية للأشعة السينية الساقطة. التشويش المهم هو الصورة الكامنة التي تصف تكوين أو انكسار الروابط أثناء تعريض المقاوم. الصورة المُظهَرة هي صورة التضاريس النهائية الناتجة عن عملية التظهير عالية التباين المختارة على الصورة الكامنة.

يتراوح مدى الإلكترونات الأولية، وإلكترونات أوجيه، والإلكترونات الثانوية، والإلكترونات ذات الطاقة المنخفضة للغاية من الأجيال العليا التي تُطبع (كما أثبتت دراسات المجهر النفقي الماسح ) بين كبير (عشرات النانومترات) وصغير (نانومتر واحد)، وذلك وفقًا للعديد من المنشورات المذكورة. ولأن هذا المدى ليس قيمة ثابتة، يصعب تحديده كميًا. وتتفاقم خشونة حواف الخطوط بسبب عدم اليقين المصاحب لها. يُفترض أن خشونة حواف الخطوط ذات أصل إحصائي، وتعتمد بشكل غير مباشر فقط على متوسط ​​المدى. في ظل ظروف الطباعة الحجرية الشائعة، يمكن التحكم في نطاقات الإلكترونات المختلفة واستخدامها.

لا تحمل الأشعة السينية أي شحنة، ولكن عند الطاقات المعنية، يكون اضمحلال أوجيه للأنواع المتأينة في العينة أكثر احتمالًا من الاضمحلال الإشعاعي. كما يُولّد الإشعاع عالي الطاقة الذي يتجاوز جهد التأين إلكترونات حرة، وهي ضئيلة مقارنةً بتلك الناتجة عن حزم الإلكترونات المشحونة. يُعدّ شحن العينة بعد التأين احتمالًا ضعيفًا للغاية عندما لا يُمكن ضمان توازن الإلكترونات المتأينة الخارجة من السطح أو المتبقية في العينة بشكل كافٍ من مصادر أخرى مع مرور الوقت. يؤدي انتقال الطاقة إلى الإلكترونات نتيجةً للإشعاع المؤين إلى فصل الشحنات الموجبة والسالبة التي تتحد بسرعة، ويعود ذلك جزئيًا إلى المدى الطويل لقوة كولوم. لوحظ أن الأغشية العازلة، مثل أكاسيد البوابات والمقاومات، تُشحن إلى جهد موجب أو سالب عند تعريضها لإشعاع حزمة الإلكترونات. تُعادِل الأغشية العازلة في النهاية موضعيًا بواسطة الشحنة الفضائية (الإلكترونات الداخلة والخارجة من السطح) عند واجهة المقاوم-الفراغ، وحقن فاولر-نوردهايم من الركيزة.يمكن أن يتأثر مدى حركة الإلكترونات في الطبقة الرقيقة بالمجال الكهربائي الموضعي. ويزداد الوضع تعقيدًا بوجود الفجوات (فراغات إلكترونية موجبة الشحنة) التي تتولد مع الإلكترونات الثانوية، والتي يُتوقع أن تتبعها. ومع تقدم عملية التعادل، يبدأ أي تركيز أولي للشحنة بالانتشار. وتُتحقق الحالة الكيميائية النهائية للطبقة الرقيقة بعد اكتمال التعادل، وبعد أن تتباطأ جميع الإلكترونات في نهاية المطاف. وعادةً، باستثناء أجهزة الطباعة بالأشعة السينية، يمكن التحكم في الشحن بشكل أكبر عن طريق مدفع الشحنة أو سمك طبقة المقاومة أو طبقة تبديد الشحنة.

• الطباعة الضوئية
  • ليزر الإكسيمر
• الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى
• الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الإلكترون
• الطباعة الحجرية باستخدام حزمة الأيونات

1. ^ Y. Vladimirsky,"Lithography"in Vacuum Ultraviolet Spectroscopy II Eds. JASamson and DLEderer, Ch 10 pp 205–223, Academic Press (1998).
2. ^ فلاديميرسكي، يولي؛ بورديلون، أنتوني؛ فلاديميرسكي، أولغا؛ جيانغ، وينلونغ؛ ليونارد، كوين (1999). "تصغير التكبير في الطباعة الحجرية بالأشعة السينية القريبة وإمكانية التمديد إلى 25 نانومتر عن طريق تحسين حيود فرينل". مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية . 32 (22): 114. Bibcode : 1999JPhD...32..114V . doi : 10.1088/0022-3727/32/22/102 .
3. ^ أنتوني بورديلون ويولي فلاديميرسكي،الطباعة الحجرية بالأشعة السينية على النقطة المثلى،مؤرشففي 9 ديسمبر 2014 فيWayback Machine، UHRL، سان خوسيه، (2006)ISBN 978-0-9789839-0-1
4. ^ فورا، ك.د.؛ شو، ب.ي.؛ هارفي، إ.س.؛ هايز، ج.ب.؛ بيل، أ.ج. (2008). "ميول الجدران الجانبية لـ SU-8 HARMST باستخدام الطباعة الحجرية بالأشعة السينية العميقة". مجلة الميكانيكا الدقيقة والهندسة الدقيقة . 18 (3) 035037. Bibcode : 2008JMiMi..18c5037V . doi : 10.1088/0960-1317/18/3/035037 .
5. ^ إيرلي، ك؛ شاتنبرغ، م؛ سميث، هـ (1990). "عدم وجود تدهور في دقة الطباعة الحجرية بالأشعة السينية لأطوال موجية تتراوح من 4.5 نانومتر إلى 0.83 نانومتر". هندسة الإلكترونيات الدقيقة . 11 : 317. doi : 10.1016/0167-9317(90)90122-A .
6. ^ كارتر، دي جيه دي (1997). "القياس المباشر لتأثير الإلكترونات الضوئية للركيزة في الطباعة النانوية بالأشعة السينية". مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ ب . 15 (6): 2509. رمز Bibcode : 1997JVSTB..15.2509C . doi : 10.1116/1.589675 .
7. ^ لود، سيمون كيو؛ ستيناكرز، مارين؛ جوردان، راينر؛ برونو، باولا؛ جرون، ديتر إم؛ فولنر، بيتر؛ جاريدو، خوسيه إيه؛ ستوتزمان، مارتن (2006). "التطعيم الكيميائي لأحاديات الطبقة ذاتية التجميع من ثنائي الفينيل على الماس فائق النانوية التبلور". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 128 (51): 16884-91 . doi : 10.1021/ja0657049 . PMID 17177439 . 
8. ^ جلافاتسكيخ، إي. أ.؛ كورتوف، ف. س.؛ فيتينغ، هـ. ج. (2001). "الشحن الكهربائي المتسق ذاتيًا للطبقات العازلة وهياكل المعدن-العازل-أشباه الموصلات". مجلة الفيزياء التطبيقية . 89 : 440. Bibcode : 2001JAP....89..440G . doi : 10.1063/1.1330242 .