قناع ضوئي

(تم التحويل من Photomask)
قناع ضوئي. يحتوي هذا القناع الضوئي على 20 نسخة، تُسمى أيضاً طبقات، من نفس نمط أو تصميم الدائرة.
رسم تخطيطي لقناع ضوئي (أعلى) وطبقة من الدوائر المتكاملة المطبوعة باستخدامها (أسفل).

القناع الضوئي (photomask)، أو اختصاراً القناع، هو صفيحة معتمة ذات مساحات شفافة تسمح للضوء بالتألق من خلالها بنمط محدد. تُستخدم الأقنعة الضوئية عادةً في الطباعة الضوئية لإنتاج الدوائر المتكاملة لإنتاج نمط على رقاقة رقيقة من مادة (عادةً السليكون). في صناعة أشباه الموصلات، يُطلق على القناع أحياناً اسم الشبكة.[1][2]

في الطباعة الضوئية، تُستخدم عدة أقنعة بالتناوب، يُعيد كل منها إنتاج طبقة من التصميم المكتمل، وتُعرف معاً باسم مجموعة الأقنعة. يتميز قناع الصورة المنحني بأنماط ذات انحناءات، وهو ما يُمثل انحرافاً عن أقنعة الصورة التقليدية التي تحتوي فقط على أنماط عمودية أو أفقية تماماً، تُعرف باسم هندسة منهاتن. تتطلب هذه الأقنعة معدات خاصة لتصنيعها.[3]

التاريخ

لإنتاج الدوائر المتكاملة في الستينيات وأوائل السبعينيات، استُخدم غشاء روبيليث معتم مُصفَّح على ورقة مايلر شفافة. قُطِع تصميم طبقة واحدة في الروبيليث، في البداية يدوياً على طاولة رسم مضاءة (لاحقاً باستخدام آلة (راسمة))، ثم كُشِفَ الروبيليث غير المرغوب فيه يدوياً، مُشكِّلاً الصورة الرئيسية لتلك الطبقة من الشريحة، والتي تُسمى غالباً "عملاً فنياً". تطلبت الشرائح المتزايدة التعقيد، وبالتالي الأكبر حجماً روبيليث أكبر فأكبر، حتى أنها ملأت جدار غرفة في النهاية، وكان من الضروري تصغير حجم الأعمال الفنية فوتوغرافياً لإنتاج أقنعة ضوئية (في النهاية، استُبدِلت هذه العملية برمتها بمولد الأنماط البصرية لإنتاج الصورة الرئيسية). عند هذه النقطة، يُمكن تجميع الصورة الرئيسية في صورة متعددة الشرائح تُسمى "الشبكة". كانت الشبكة في الأصل صورة أكبر بعشر مرات لشريحة واحدة.

استُخدمت الشبكة، باستخدام تقنية الليثوغرافيا الضوئية المتدرجة والمكررة والحفر، لإنتاج قناع ضوئي بحجم صورة مطابق للرقاقة النهائية. يُمكن استخدام القناع الضوئي مباشرةً في المصنع أو كقناع ضوئي رئيسي لإنتاج أقنعة ضوئية عاملة نهائية.

مع تقلص حجم الخصائص، كانت الطريقة الوحيدة لتركيز الصورة بشكل صحيح هي وضعها على اتصال مباشر بالرقاقة. غالبًا ما كانت هذه المحاذيات التلامسية ترفع جزءاً من مقاومة الضوء عن الرقاقة وتضعه على القناع الضوئي، مما يستدعي تنظيفه أو التخلص منه. أدى هذا إلى اعتماد الأقنعة الضوئية الرئيسية العكسية (انظر أعلاه)، والتي استُخدمت لإنتاج (باستخدام الطباعة الضوئية التلامسية والحفر) العدد المطلوب من أقنعة الصورة العاملة. لاحقاً، أدت الطباعة الضوئية الإسقاطية إلى عدم تحديد عمر القناع الضوئي. لاحقاً، استخدمت الطباعة الضوئية المتدرجة ذات الخطوات المباشرة على الرقاقة الشبكات مباشرةً، مما أنهى استخدام الأقنعة الصوئية.

تغيرت مواد الأقنعة الضوئية بمرور الوقت. في البداية، كان زجاج الصودا[4] was used with silver halide opacity. Later borosilicate[5] ثم استُخدمت السليكا المنصهرة للتحكم في التمدد، والكروم الذي يتميز بعتامة أفضل تجاه الضوء فوق البنفسجي. ومنذ ذلك الحين، استُبدلت مولدات القوالب الأصلية ليثوغرافيا شعاع الإلكترون وكاتب الأقنعة الذي يعمل بالليزر أو الليثوفرافيا دون قناع، والتي تُولّد شبكيات مباشرة من التصميم المحوسب الأصلي.

نظرة عامة

انظر أيضاً: لوح فوتوغرافي
قناع ضوئي مُحاكي. تُمثل الميزات الأكثر سُمكاً الدائرة المتكاملة المطلوب طباعتها على الرقاقة. أما الميزات الأقل سُمكاً فهي مُساعدات لا تُطبع تلقائياً، ولكنها تُساعد الدائرة المتكاملة على الطباعة بشكل أفضل دون تركيز. يعود المظهر المتعرج للقناع الضوئي إلى تطبيق تصحيح التقارب الضوئي عليه للحصول على طباعة أفضل.

أقنعة الصور الليثوغرافية هي في العادة عبارة عن ألواح شفافة من السليكا المنصهرة مغطاة بقالب محدد بغشاء ماص للفلزات الكروم (Cr) أو Fe2O3.[6]

تُستخدم الأقنعة الضوئية بأطوال موجية تبلغ 365 نانومتر، و248 نانومتر، و193 نانومتر. كما طُوّرت لأشكال أخرى من الإشعاع، مثل 157 نانومتر، و13.5 نانومتر (ليثوغرافيا فوق البنفسجية القصوى)، الأشعة السينية، الإلكترونات، والأيونات؛ إلا أن هذه تتطلب مواد جديدة كلياً للركيزة وغشاء القالب.[6]

مجموعة الأقنعة الضوئية، يُحدد كل منها طبقة نمط في تصنيع الدوائر المتكاملة، تُغذى في سائر أو ماسح طباعة ضوئية، وتُختار كل منها على حدة للتعرض. في تقنيات النقش المضاعف، يُمثل قناع الصور جزءاً من نمط الطبقة.

تاريخياً، في الطباعة الضوئية المستخدمة في الإنتاج بالجملة لأجهزة الدوائر المتكاملة، كان هناك تمييز بين مصطلح "الشبكة الضوئية" أو ببساطة "الشبكة"، ومصطلح "القناع الضوئي". في حالة القناع الضوئي، يوجد تطابق واحد لواحد بين نمط القناع ونمط الرقاقة. يغطي القناع كامل سطح الرقاقة المكشوفة بالكامل في لقطة واحدة. كان هذا هو المعيار لمحاذاة القناع بنسبة 1:1 التي تلتها السوائر والماسحات الضوئية المزودة ببصريات اختزال.[7] كما هو مستخدم في السوائر والماسحات الضوئية التي تستخدم إسقاط الصور،[8] عادةً ما تحتوي الشبكة على نسخة واحدة فقط، تُسمى أيضاً طبقة واحدة من VLSI المُصممة. (ومع ذلك، تستخدم بعض عمليات تصنيع الطباعة الضوئية شبكات ذات أكثر من طبقة موضوعة جنباً إلى جنب على نفس القناع، تُستخدم كنسخ لإنشاء عدة دوائر متكاملة متطابقة من قناع ضوئي واحد). في الاستخدام الحديث، يُعدّ مصطلحا الشبكة والقناع الضوئي مترادفين.[9]

في السوائر أو الماسحات الضوئية الحديثة، يُعرض النمط الموجود في القناع الضوئي وتقليصه بمقدار أربع أو خمس مرات على سطح الرقاقة.[10] لتغطية الرقاقة بالكامل، تُنقل الرقاقة "بشكل متدرج" من موضع لآخر تحت العمود الضوئي أو عدسة السائر حتى تُعرض بالكامل. يُستخدم قناع ضوئي مزود بعدة نسخ من تصميم الدائرة المتكاملة لتقليل عدد الخطوات اللازمة لتعريض الرقاقة بالكامل، مما يزيد الإنتاجية.

تتطلب خصائص التي يبلغ حجمها 150 نانومتر أو أقل عادة إزاحة الطور لتحسين جودة الصورة إلى قيم مقبولة. ويمكن تحقيق ذلك بطرق عديدة. الطريقتان الأكثر شيوعاً هما استخدام طبقة خلفية مُخففة بإزاحة الطور على القناع لزيادة تباين قمم الشدة الصغيرة، أو نقش الكوارتز المكشوف بحيث يمكن استخدام الحافة بين المناطق المحفورة وغير المحفورة لتصوير شدة تقترب من الصفر. في الحالة الثانية، يلزم قص الحواف غير المرغوب فيها بتعريض آخر. تُعرف الطريقة الأولى باسم "إزاحة الطور المُخفف"، وغالباً ما تُعتبر تحسيناً ضعيفاً، وتتطلب إضاءة خاصة لتحقيق أقصى قدر من التحسين، بينما تُعرف الطريقة الثانية باسم إزاحة الطور بفتحة متناوبة، وهي أكثر تقنيات التحسين القوية شيوعاً.

مع تصغير خصائص أشباه الموصلات الرائدة، فإن خصائص القناع الضوئي الأكبر بأربع مرات ستصغر حتماً أيضاً. قد يُشكل هذا تحدياً، إذ يجب أن يصبح الغشاء الماص أرق، وبالتالي أقل تعتيماً.[11] توصلت دراسة أجرتها IMEC عام 2005 إلى أن الممتصات الرقيقة تؤدي إلى تدهور تباين الصورة وبالتالي تساهم في خشونة حافة الخط، وذلك باستخدام أدوات الطباعة الضوئية الحديثة.[12] أحد الاحتمالات هو التخلص من الممتصات تماماً واستخدام أقنعة "بدون كروم"، والاعتماد فقط على الإزاحة الطورية للتصوير.[13][14]

كان لظهور ليثوغرافيا الغمر تأثير كبير على متطلبات الأقنعة الضوئية. قناع الإزاحة الطوري المُخفَّف المُستخدم عادةً أكثر حساسية لزوايا السقوط الأعلى المُطبقة في ليثوغرافيا "hyper-NA"، وذلك بفضل المسار البصري الأطول عبر الغشاء المُنقوش.[15] أثناء التصنيع، يُستخدم الفحص باستخدام شكل خاص من المجهر يسمى CD-SEM (المجهر الإلكتروني الماسح للأبعاد الحرجة) لقياس الأبعاد الحرجة على أقنعة الصورة والتي هي أبعاد الأنماط الموجودة على القناع الضوئي.[16]

ليثوغرافيا الأشعة فوق البنفسجية القصوى

تعمل أقنعة الأشعة فوق البنفسجية القصوى عن طريق عكس الضوء،[17] ويتم ذلك باستخدام طبقات متناوبة متعددة من المولبدنم والسليكون.

عامل تحسين خطأ القناع (MEEF)

تُكبَّر صور أنماط الشريحة النهائية المُلتقطة بتقنية الأقنعة الضوئية المتطورة (المُصحَّحة مسبقاً) بمقدار أربعة أضعاف. وقد كان عامل التكبير هذا ميزة رئيسية في تقليل حساسية الأنماط لأخطاء التصوير. ومع ذلك، مع استمرار تقلص الميزات، يظهر اتجاهان: الأول هو أن عامل خطأ القناع يبدأ في تجاوز الواحد، أي أن خطأ البُعد على الرقاقة قد يكون أكبر من ربع خطأ البُعد على القناع،[18] والثاني هو أن سمة القناع تتقلص، وأن تفاوت الأبعاد يقترب من بضعة نانومترات. على سبيل المثال، يجب أن يتوافق نمط رقاقة 25 نانومتر مع نمط قناع 100 نانومتر، ولكن تفاوت الأبعاد قد يكون 1.25 نانومتر (5% مواصفات)، مما يُترجم إلى 5 نانومتر على القناع الضوئي. يمكن أن يتجاوز تباين تشتت شعاع الإلكترون عند الكتابة المباشرة لنمط القناع الضوئي هذا بسهولة.[19][20]

الأغشية الرقيقة

Pellicle mounting machine MLI

يُستخدم مصطلح "الأغشية الرقيقة" (pellicle) للدلالة على "الطبقة الرقيقة". ابتداءً من الستينيات، استُخدمت الأغشية الرقيقة مشدودة على إطار معدني، تُعرف أيضاً باسم "الأغشية الرقيقة"، كمُقسِّم للأشعة في الأجهزة البصرية. وقد استُخدمت في عدد من الأجهزة لتقسيم شعاع الضوء دون التسبب في انحراف المسار الضوئي نظراً لصغر سمكها. عام 1978، حصل شيا وآخرون في شركة آي‌بي‌إم على براءة اختراع لعملية لاستخدام "الطبقة الرقيقة" كغطاء غبار لحماية قناع ضوئي أو شبكاني. في سياق هذه المادة، تعني "الأغشية الرقيقة" "غطاء غبار بغشاء رقيق لحماية قناع ضوئي".

يمكن أن يُمثل تلوث الأغشية الرقيقة مشكلة كبيرة في تصنيع أشباه الموصلات. يُحمى القناع الضوئي من الجسيمات بواسطة غشاء رقيق شفاف، وهو غشاء رقيق شفاف مشدود على إطار مُلصق على أحد جانبي القناع الضوئي. يكون الغشاء بعيداً بما يكفي عن أنماط القناع، مما يجعل الجسيمات متوسطة إلى صغيرة الحجم التي تهبط عليه بعيدةً جداً عن بؤرة التركيز، مما يُصعّب طباعتها. على الرغم من تصميمها لإبعاد الجسيمات، تُصبح الأغشية جزءاً من نظام التصوير، ويجب مراعاة خصائصها البصرية. الأغشية مصنوعة من النيتروسليلوز، وهي مُصممة لأطوال موجية مُختلفة للنقل. تُصنع الأغشية الحالية من الپولي سليكون، وتستكشف الشركات مواد أخرى للتصوير بالأشعة فوق البنفسجي القصوى (EUV) ذي الكثافة العالية (NA)، مثل أنابيب الكربون النانوية (CNT)[21][22][23]، وعمليات تصنيع الرقائق المستقبلية.[24][25]

رواد تصنيع الأقنعة الضوئية التجارية

المقالة الرئيسية: متجر أقنعة

يقدم مؤتمر SPIE السنوي، وتكنولوجيا الأقنعة الضوئية، تقييماً لصناعة أقنعة سيماتك والذي يتضمن تحليلاً صناعياً آنياً ونتائج المسح السنوي لمصنعي الأقنعة الضوئية.

الشركات التالية مدرجة حسب ترتيب حصتها في السوق العالمية (معلومات 2009):[26]

تمتلك شركات تصنيع الرقائق الكبرى مثل إنتل، گلوبال فاوندريز، [[آيإمآي‌بي‌إموإن‌إي‌سي، تي‌إس‌إم‌سي، يوإم‌سي، مجموعة سامسونگسامسونگ وميكرون تكنولوجي، مرافق تصنيع أقنعة كبيرة خاصة بها أو شركات محاصة مع الشركات المذكورة أعلاه.

عام 2012، تم تقدير السوق العالمي للأقنعة الضوئية بنحو 3.2 بليون دولار[27] و3.1 بليون دولار عام 2013. كان ما يقرب من نصف السوق من متاجر الأقنعة الأسيرة (متاجر الأقنعة الداخلية لشركات تصنيع الرقائق الكبرى).[28]

عام 2005 قُدرت تكاليف تأسيس متجر أقنعة جديد لعمليات 180 نانومتر بمبلغ 40 مليون دولار، ولعمليات 130 نانومتر - أكثر من 100 مليون دولار.[29]

عام 2006، تراوح سعر شراء قناع ضوئي ما بين 250.000-100.000 دولار[30] لقناع إزاحة طور واحد عالي الجودة. قد يتطلب الأمر ما يصل إلى 30 قناعاً (بأسعار متفاوتة) لتكوين مجموعة أقنعة كاملة. ولأن الرقائق الحديثة تُبنى في عدة طبقات متراصة فوق بعضها، يلزم قناع واحد على الأقل لكل طبقة.

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ "Reticle Manufacturing". KLA (in الإنجليزية). Retrieved 2024-01-05.
  2. ^ Diaz, S.L.M.; Fowler, J.W.; Pfund, M.E.; Mackulak, G.T.; Hickie, M. (November 2005). "Evaluating the Impacts of Reticle Requirements in Semiconductor Wafer Fabrication". IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing (in الإنجليزية). 18 (4): 622–632. doi:10.1109/TSM.2005.858502. ISSN 0894-6507. S2CID 37911295.
  3. ^ "The Quest for Curvilinear Photomasks". 15 April 2021.
  4. ^ Introduction to Microfabrication. John Wiley & Sons. 29 October 2010. ISBN 978-1-119-99189-2.
  5. ^ Handbook of Photomask Manufacturing Technology. CRC Press. 3 October 2018. ISBN 978-1-4200-2878-2.
  6. ^ أ ب Shubham, Kumar n (2021). Integrated circuit fabrication. Ankaj Gupta. Abingdon, Oxon. ISBN 978-1-000-39644-7. OCLC 1246513110.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  7. ^ Rizvi, Syed (2005). "1.3 The Technology History of Masks". Handbook of Photomask Manufacturing Technology. CRC Press. p. 728. ISBN 9781420028782.
  8. ^ Principles of Lithography. SPIE Press. 2005. ISBN 978-0-8194-5660-1.
  9. ^ "Reticle".
  10. ^ Lithography experts back higher magnification in photomasks to ease challenges // EETimes 2000
  11. ^ Y. Sato et al., Proc. SPIE, vol. 4889, pp. 50-58 (2002).
  12. ^ M. Yoshizawa et al., Proc. SPIE, vol. 5853, pp. 243-251 (2005)
  13. ^ Toh, Kenny K.; Dao, Giang T.; Singh, Rajeev R.; Gaw, Henry T. (1991). "Chromeless phase-shifted masks: A new approach to phase-shifting masks". In Wiley, James N. (ed.). 10th Annual Symp on Microlithography. Vol. 1496. pp. 27–53. doi:10.1117/12.29750. S2CID 109009678.
  14. ^ Eom, Tae-Seung; Lim, Chang M.; Kim, Seo-Min; Kim, Hee-Bom; Oh, Se-Young; Ma, Won-Kwang; Moon, Seung-Chan; Shin, Ki S. (2003). "Comparative study of chromeless and attenuated phase shift mask for 0.3-k 1 ArF lithography of DRAM". In Yen, Anthony (ed.). Optical Microlithography XVI. Vol. 5040. pp. 1310–1320. doi:10.1117/12.485452. S2CID 109838206.
  15. ^ C. A. Mack et al., Proc. SPIE, vol. 5992, pp. 306-316 (2005)
  16. ^ "CD-SEM: Critical-Dimension Scanning Electron Microscope".
  17. ^ "Overview of EUV Mask Metrology" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2017-06-02. Retrieved 2019-06-23.
  18. ^ E. Hendrickx et al., Proc. SPIE 7140, 714007 (2008).
  19. ^ C-J. Chen et al., Proc. SPIE 5256, 673 (2003).
  20. ^ W-H. Cheng and J. Farnsworth, Proc. SPIE 6607, 660724 (2007).
  21. ^ "Carbon nanotube advanced materials for EUV pellicles". Canatu (in الإنجليزية الأمريكية). 2023-05-08. Retrieved 2025-06-02.
  22. ^ Ueda, Takahiro; Lima, Marcio D.; Harada, Tetsuo; Kondo, Takeshi (2023-06-01). "CNT-based pellicles for the next generation of EUV scanners". Japanese Journal of Applied Physics. 62 (SG): SG0805. doi:10.35848/1347-4065/acbbd5. ISSN 0021-4922.
  23. ^ "https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/13216/1321615/Improved-CNT-based-pellicles-for-low-and-high-power-EUV/10.1117/12.3034650.short". doi:10.1117/12.3034650.short (inactive 18 July 2025). {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help); External link in |title= (help)CS1 maint: DOI inactive as of يوليو 2025 (link)
  24. ^ "What Is High-NA EUV? - Breakfast Bytes - Cadence Blogs - Cadence Community". community.cadence.com. Retrieved 2025-03-26.
  25. ^ Chris A. Mack (November 2007). "Optical behavior of pellicles". Microlithography World. Retrieved 2008-09-13.
  26. ^ Hughes, Greg; Henry Yun (2009-10-01). "Mask industry assessment: 2009". In Zurbrick, Larry S.; Montgomery, M. Warren (eds.). Photomask Technology 2009. Vol. 7488. pp. 748803–748803–13. Bibcode:2009SPIE.7488E..03H. doi:10.1117/12.832722. ISSN 0277-786X. S2CID 86650806. {{cite book}}: |journal= ignored (help)
  27. ^ Chamness, Lara (May 7, 2013). "Semiconductor Photomask Market: Forecast $3.5 Billion in 2014". SEMI Industry Research and Statistics. Retrieved 6 September 2014.
  28. ^ Tracy, Dan; Deborah Geiger (April 14, 2014). "SEMI Reports 2013 Semiconductor Photomask Sales of $3.1 Billion". SEMI. Retrieved 6 September 2014.
  29. ^ (February 9, 2005) "An Analysis of the Economics of Photomask Manufacturing Part – 1: The Economic Environment" in ISMT Mask Automation Workshop.. "Capital-intensive industry. Investment levels….. – ~$40M for ‘conventional’ (180-nm node or above) – >$100M for ‘advanced’ (130-nm node and beyond)" 
  30. ^ Weber, C.M; Berglund, C.N.; Gabella, P. (13 November 2006). "Mask Cost and Profitability in Photomask Manufacturing: An Empirical Analysis" (PDF). IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 19 (4): 465–474. doi:10.1109/TSM.2006.883577. S2CID 2236552. doi:10.1109/TSM.2006.883577; page 23 table 1


?
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=قناع_ضوئي&oldid=4189674"