ما هو EUV وكيف يعمل؟

تعد تقنية الضوء فوق البنفسجي الشديد (EUV) محركًا رئيسيًا للتغيير في صناعة أشباه الموصلات. لقد تطورت الطباعة الحجرية، وهي الطريقة المستخدمة لطباعة أنماط معقدة على مواد شبه موصلة، باستخدام أطوال موجية أقصر من أي وقت مضى منذ بداية عصر أشباه الموصلات. الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية هي الأقصر حتى الآن.

كانت قيد التطوير لعقود من الزمن، وتم شراء أول آلة طباعة حجرية بالأشعة فوق البنفسجية على دفعات وجاهزة للإنتاج من ASML، شركة أشباه الموصلات الهولندية.

ما هي الطباعة الحجرية EUV؟

يشير ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى الضوء فوق البنفسجي الشديد المستخدم في الطباعة الحجرية للرقائق الدقيقة، والذي يتضمن طلاء رقاقة الرقاقة الدقيقة بمادة حساسة للضوء وتعريضها للضوء بعناية. يؤدي هذا إلى طباعة نمط على الرقاقة، والذي يُستخدم لمزيد من الخطوات في عملية تصميم الرقائق الدقيقة.

إن تاريخ أجهزة الكمبيوتر هو تاريخ صناعة أشباه الموصلات، والذي بدوره هو تاريخ السعي الدؤوب للتصغير. في المرحلة الأولية للقطاع من الخمسينيات إلى منتصف الثمانينات، تم إجراء الطباعة الحجرية الضوئية من خلال الأشعة فوق البنفسجية والأقنعة الضوئية لعرض أنماط الدوائر على رقائق السيليكون.

خلال هذا الوقت، قانون مور- بدأ القول المأثور في الستينيات بأن عدد الترانزستورات الموجودة على الرقاقة الدقيقة يتضاعف كل عامين - بدأ يصطدم بالحدود المادية لهذه العملية. وهذا يعني أن الزيادات المذهلة في قوة الحوسبة وانخفاض تكاليف التكنولوجيا بالنسبة للمستهلكين كانت أيضًا معرضة لخطر الوصول إلى الحد الأقصى. من الثمانينيات إلى العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، قادت الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) الجيل التالي من التصغير باستخدام أطوال موجية أقصر في نطاق 153 إلى 248 نانومتر، مما سمح ببصمات أصغر على رقائق السيليكون ل أشباه الموصلات.

في الفترة التي سبقت الألفية الجديدة، بحث الباحثون والشركات المتنافسة في جميع أنحاء العالم عن اختراقات في جعل الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية وأطوالها الموجية الأقصر ممكنة. أكملت ASML نموذجًا أوليًا في عام 2003، على الرغم من أن الأمر سيستغرق عقدًا آخر لتطوير نظام جاهز للإنتاج.

كل بضع سنوات منذ ذلك الحين، قامت ASML بتسليم الإصدار التالي من أنظمة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية الخاصة بها مع قدرة أكبر على الإنتاج وأطوال موجية تصل إلى 13.5 نانومتر. وهذا يسمح بتصميمات دقيقة للغاية للرقائق الدقيقة ووضع الترانزستورات على الرقائق الدقيقة بأقصى كثافة ممكنة - باختصار، يتيح سرعات أعلى للكمبيوتر.

كيف تعمل الطباعة الحجرية EUV

تبعث أنظمة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية الخاصة بـ ASML ضوءًا بأطوال موجية تبلغ حوالي 13.5 نانومتر، وهو أقصر بكثير من الأطوال الموجية المستخدمة في الجيل السابق من الطباعة الحجرية DUV، مما يتيح طباعة أنماط أكثر دقة على أشباه الموصلات رقائق. يمكن أن تحتوي الرقائق الدقيقة الأكثر تقدمًا على عقد صغيرة يصل حجمها إلى 7 و5 و3 نانومتر، والتي يتم تصنيعها عن طريق تمرير رقائق أشباه الموصلات بشكل متكرر عبر نظام الطباعة الحجرية EUV.

على الرغم من أنك لن تتمكن من اتباع هذه الخطوات في ورشة المرآب الخاصة بك لتصنيع أشباه الموصلات، إلا أنها مهمة لفهم كيفية تطوير التكنولوجيا المعنية وأين يمكن أن تكون صناديق الاستثمار المحتملة أفضل وضعت. أولاً، يتم توجيه ليزر عالي الكثافة إلى مادة (عادةً القصدير) لتوليد البلازما (إلكترونات وبروتونات مشحونة متحركة). ثم تبعث البلازما ضوء الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة يبلغ حوالي 13.5 نانومتر.

يتم جمع الضوء المتولد وتوجيهه من خلال سلسلة من المرايا والبصريات من خلال قناع أو شبكاني كدائرة يتم وضع النمط في مسار ضوء الأشعة فوق البنفسجية، بطريقة تشبه إلى حد كبير استخدام الاستنسل لرسم نمط على سبورة. هناك مادة تسمى مقاومة الضوء على الرقاقة حساسة لضوء الأشعة فوق البنفسجية، والمناطق المعرضة لها تمر بتغير كيميائي ثم يتم حفرها. يمكن بعد ذلك ترسيب مواد جديدة في المناطق المحفورة لتكوين المكونات المختلفة للرقاقة الدقيقة. يمكن تكرار هذه العملية حتى 100 مرة باستخدام أقنعة مختلفة لإنشاء دوائر معقدة متعددة الطبقات على رقاقة واحدة.

بعد هذه الخطوات، تخضع الرقاقة لمزيد من العمليات لإزالة الشوائب وتجهيز الرقاقة للتقطيع إلى شرائح فردية. ثم يتم تعبئتها للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية.

الأشعة فوق البنفسجية مقابل. الطباعة الحجرية DUV

في حين أن المشتريات الكبيرة لأنظمة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية كانت بمثابة الأخبار الرائدة في صناعة الموصلات الفائقة، بالنظر إلى ذلك ومع التكاليف الهائلة التي تنطوي عليها والتقدم التكنولوجي الذي يمكن أن تحققه، لا تزال الطباعة الحجرية DUV منتشرة على نطاق أوسع مستخدم. لديها ميزة وجودها بالفعل تصنيع المرافق مع الموظفين المدربين على استخدامها.

تسمح الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية، بأطوال موجية قصيرة للغاية تبلغ حوالي 13.5 نانومتر، بنقش أكثر دقة لميزات أصغر على الرقائق. من جانبها، تعمل الطباعة الحجرية DUV بأطوال موجية تبدأ من 153 نانومتر. في حين يمكن لصانعي الرقائق استخدام هذا للتصميمات ذات الأحجام الصغيرة التي تصل إلى 5 نانومتر أو أقل، مما يدفع حدود الفيزياء، لا يمكن استخدام ضوء DUV إلا لأحجام أقل من 10 نانومتر مع فقدان الدقة جودة.

لا تأتي أنظمة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية (EUV) مع تكاليف بدء تشغيل التقنيات الأحدث فحسب، ولكنها أيضًا أكثر تكلفة بطبيعتها من المعدات والصيانة للطباعة الحجرية DUV. على سبيل المثال، تم تثبيت أنظمة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية بواسطة شركة انتل في عام 2023 بتكلفة 150 مليون دولار لكل منهما. هذه التكلفة تجعل أنظمة الطباعة الحجرية DUV مفضلة للاستخدامات التي يكون فيها الحجم الأصغر للطباعة الحجرية EUV غير ضروري.

الطباعة الحجرية بتقنية DUV هي أيضًا كمية معروفة: ليست هناك حاجة لتدريب إضافي، ومرافق جديدة، واستثمارات رأسمالية كبيرة أخرى تتطلبها أنظمة الإضاءة بالأشعة فوق البنفسجية. لا تزال تكنولوجيا الضوء DUV مطلوبة للعديد من الرقائق في الهواتف وأجهزة الكمبيوتر والسيارات والروبوتات، وقد أثبتت قوتها ومتعددة الاستخدامات. وتعني عملياتها الأبسط نسبيًا أيضًا أن الطباعة الحجرية DUV يمكنها إنتاج المزيد من الرقائق لكل وحدة من الوقت من الطباعة الحجرية EUV، وهي نقطة مهمة لصالحها في ضوء الطلب العالمي عليها أشباه الموصلات.

يتوقع الكثيرون أن تظل الطباعة الحجرية DUV شائعة لسنوات قادمة. ويرجع ذلك جزئيًا إلى سعر الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية والمشكلات الفنية التي تأتي مع أي تقنية جديدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تقنية الطباعة الحجرية DUV ليست ثابتة في مكانها، فهي مستمرة في تحسين كيفية مساعدتها في إنشاء الرقائق الموجودة في العديد من الأجهزة الإلكترونية في حياتنا اليومية.

من المحتمل أن تمر الصناعة بمرحلة انتقالية، وبينما سيلعب ضوء الأشعة فوق البنفسجية دورًا مركزيًا متزايدًا في تصنيع الرقائق، لا تزال الطباعة الحجرية DUV حيوية لإنتاج الإلكترونيات المستخدمة في حياتنا اليومية الأرواح.

مزايا وعيوب الطباعة الحجرية EUV

تعد الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية تقنية جديدة نسبيًا توفر العديد من المزايا وبعض العيوب التي يجب أخذها في الاعتبار.

مزايا

توفر الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العديد من المزايا التي يمكن أن تؤدي إلى تطورات مستقبلية في إنتاج الرقائق الدقيقة. فيما يلي سببان وراء قيام شركات أشباه الموصلات مثل Intel بالاستثمار كثيرًا في التكنولوجيا:

• يمكن لضوء الأشعة فوق البنفسجية أن ينتج أنماطًا أكثر تعقيدًا ودقة على رقائق السيليكون، مما يسمح بوضع المزيد من الترانزستورات على الرقاقة الدقيقة.
• تعمل الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية على تقليل عدد طبقات الأنماط (عدد الأقنعة) المطلوبة لإنشاء الدائرة.

سلبيات

تتمتع الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية بالعديد من الفوائد، ولكن باعتبارها تقنية جديدة، من المهم مراعاة عيوبها.

• تعد أنظمة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية أكثر تكلفة من الأنظمة الأخرى للطباعة الحجرية ذات الرقائق الدقيقة.
• ASML هي الشركة الوحيدة التي تصنع هذه الأنظمة، مما قد يؤدي إلى اختناق الشركات الراغبة في استخدام الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية أو التي تحتاج إلى دعم لآلاتها.

الخط السفلي

يُستخدم ضوء الأشعة فوق البنفسجية في الطباعة الحجرية للرقائق الدقيقة لإنتاج الأنماط اللازمة لإنشاء شريحة دقيقة، على الرغم من أن أحجامها أصغر بكثير من تقنيات الطباعة الحجرية السابقة. ومع ذلك، وبسبب حداثتها، فإن شركة واحدة فقط -ASML- تصنع آلات تستخدمها، وهي مكلفة. ومع نضوج التكنولوجيا، ينبغي أن تلعب دورا مركزيا في التطورات المستقبلية في إنتاج الرقائق الدقيقة.