تخيل تقليص الآلات المعقدة إلى حجم الفيروس. إن تقنيات التصنيع النانوي، مثل الطباعة الحجرية الضوئية والفحص المجهري النفقي بالمسح الضوئي، تجعل هذا الأمر حقيقة واقعة. تتلاعب هذه الأساليب بالمواد على المستوى الذري، مما يبشر بتطورات ثورية في التكنولوجيا والطب. في هذه المقالة، سوف تكتشف أربع تقنيات متطورة للتصنيع النانوي التي تتخطى حدود الممكن. تعرّف كيف يمكن لهذه الابتكارات أن تُحدث تحولاً في الصناعات، مما يقربنا من مستقبل تؤدي فيه الأجهزة المصغرة مهام غير عادية.
مثلما تلعب تكنولوجيا التصنيع دورًا حاسمًا في مختلف المجالات اليوم، تحتل تكنولوجيا التصنيع النانوي مكانة رئيسية في مجالات تكنولوجيا النانو. تشمل تكنولوجيا التصنيع النانوي العديد من الطرق بما في ذلك المعالجة الميكانيكية والحفر الكيميائي والتصنيع الآلي بحزمة الطاقة وهندسة المجال الكهربائي على أسطح الألومنيوم باستخدام المجهر النفقي بالمسح الضوئي (STM).
لا يوجد تعريف موحّد لتكنولوجيا التصنيع النانوي حتى الآن؛ وعمومًا، يشار إلى معالجة المواد ذات الأبعاد الأقل من 100 نانومتر على أنها تصنيع نانوي، وكذلك المعالجة مع خشونة السطح على مستوى النانومتر. يشير مصطلح التصنيع النانوي إلى معالجة الأجزاء التي تكون فيها دقة الحجم ودقة الشكل وخشونة السطح كلها على مستوى النانومتر.
يمكن لتقنيات المعالجة الآلية التالية تحقيق المعالجة النانوية:
تشمل طرق المعالجة الميكانيكية النانوية القطع فائق الدقة بأدوات أحادية النقطة مصنوعة من الماس أحادي البلورة وCBN، والمعالجة الكاشطة فائقة الدقة متعددة النقاط بأدوات طحن مصنوعة من الماس ومواد كاشطة CBN، والمعالجة الكاشطة الحرة أو المعالجة الميكانيكية الكيميائية المركبة مثل الطحن والتلميع والقطع بالانبعاثات المرنة.
في الوقت الحالي، أنتج القطع فائق الدقة باستخدام أدوات الماس أحادية النقطة رقائق رقيقة تصل إلى 3 نانومتر في المختبرات، وتم تحقيق الطحن على مستوى النانو باستخدام تقنية الطحن المطاطي. ويمكن تحقيق الإزالة بمقياس النانو الفرعي من خلال عمليات مثل المعالجة بالانبعاثات المرنة، مما يؤدي إلى خشونة السطح على مستوى الأنجستروم.
معالجة أشعة الطاقة هي طريقة تصنيع آلي خاصة تستخدم أشعة طاقة عالية الكثافة، مثل أشعة الليزر أو أشعة الإلكترون أو أشعة الأيونات، لإزالة مواد الشُّغْلَة. وهي تشمل بشكل أساسي معالجة الحزمة الأيونية ومعالجة الحزمة الإلكترونية ومعالجة الحزمة الضوئية.
كما تندرج المعالجة الآلية النفاثة الإلكتروليتية والتفريغ الكهربائي والمعالجة الآلية بالتفريغ الكهربائي والمعالجة الآلية الكهروكيميائية والحزمة الجزيئية الفوقية الجزيئية والترسيب الفيزيائي والكيميائي للبخار تحت المعالجة بالحزمة الطاقية. كما أن إزالة الرذاذ والترسيب والمعالجة السطحية باستخدام المعالجة بالحزمة الأيونية، وكذلك الحفر بمساعدة الحزمة الأيونية، هي أيضًا اتجاهات بحث وتطوير للمعالجة الآلية النانوية.
بالمقارنة مع القطع بالأداة الصلبة، يصعب تحديد موضع ومعدل تصنيع الآلات بالحزمة الأيونية. ولتحقيق دقة التصنيع الآلي النانوي، هناك حاجة إلى نظام كشف دون نانوي ونظام ضبط مغلق الحلقة لموضع المعالجة.
تزيل الآلات بالحزمة الإلكترونية الذرات من سطح طبقة الاختراق في شكل طاقة حرارية، والتي يمكن استخدامها في الحفر، والتعريض بالطباعة الليثوغرافية الضوئية، واللحام، والآلات الدقيقة والحفر والطحن النانوي.
في أوائل عام 1999، تم إطلاق آلات الطباعة الحجرية فوق البنفسجية العميقة (DUV) لعمليات 0.18 ميكرومتر على التوالي. وتشمل التقنيات المسماة بالجيل التالي من الطباعة الحجرية (NGL) المستخدمة لتحل محل الطباعة الحجرية الضوئية بعد 0.1 ميكرومتر بشكل رئيسي الأشعة فوق البنفسجية القصوى والأشعة السينية وحزمة الإلكترون والطباعة الحجرية بالحزمة الأيونية. وترد أدناه مقدمة موجزة لتقدم تقنيات الطباعة الحجرية المختلفة.
تقوم الطباعة الحجرية الضوئية بإسقاط المخططات الهيكلية لأجهزة الدوائر المتكاملة واسعة النطاق على القناع على رقاقة السيليكون المغلفة بمقاوم للضوء من خلال نظام بصري. يرتبط الحد الأدنى لحجم الميزة الذي يمكن أن تحققه الطباعة الحجرية الضوئية ارتباطاً مباشراً بالدقة التي يمكن أن يحققها نظام الطباعة الحجرية الضوئية، ويعد تقليل الطول الموجي لمصدر الضوء أكثر الطرق فعالية لتحسين الدقة.
ولذلك، لطالما كان تطوير آلات جديدة للطباعة الحجرية ذات المصدر الضوئي قصير الطول الموجي موضوعًا بحثيًا ساخنًا على الصعيد الدولي.
في الوقت الحالي، انتقل الطول الموجي لمصدر الضوء في آلات الطباعة الحجرية التجارية من نطاق الأشعة فوق البنفسجية لمصادر ضوء مصباح الزئبق في الماضي إلى نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV)، مثل ليزر الإكسيمر KrF (الطول الموجي 248 نانومتر) المستخدم في تقنية 0.25 ميكرومتر وليزر الإكسيمر ArF (الطول الموجي 193 نانومتر) المستخدم في تقنية 0.18 ميكرومتر.
بالإضافة إلى ذلك، يعد استخدام خصائص تداخل الضوء وتحسين معلمات العملية باستخدام تقنيات واجهة الموجة المختلفة طريقة مهمة أيضًا لتحسين دقة الطباعة الحجرية. وهذه التقنيات عبارة عن اختراقات تحققت من خلال التحليل العميق للتصوير التعرضي القائم على النظرية الكهرومغناطيسية وممارسة الطباعة الحجرية، بما في ذلك أقنعة تغيير الطور وتقنية الإضاءة خارج المحور وتصحيح تأثير القرب.
وباستخدام هذه التقنيات، يمكن تحقيق أنماط الطباعة الحجرية عالية الدقة بالمستوى الحالي للتكنولوجيا. فعلى سبيل المثال، أطلقت Canon في أوائل عام 1999 جهاز المسح الضوئي FPA-1000ASI الذي يستخدم مصدر ضوء 193 نانومتر من الترددات الباعثة للضوء ArF.
باستخدام تقنية واجهة الموجة، يمكنها تحقيق عرض خط ليثوغرافي يبلغ 0.13 ميكرومتر على رقاقة سيليكون 300 مم. تشمل تكنولوجيا الطباعة الحجرية الضوئية آلات الطباعة الحجرية الضوئية والأقنعة ومقاومات الضوء وسلسلة من التقنيات التي تشمل البصريات والميكانيكا والكهرباء والفيزياء والكيمياء والمواد وغيرها من مجالات البحث.
يستكشف العلماء حاليًا الطباعة الحجرية بالليزر F2 (الطول الموجي 157 نانومتر) بطول موجي أقصر. ونظرًا لارتفاع مستوى امتصاص الضوء، فإن الحصول على مواد الركيزة الضوئية والقناع الجديدة لأنظمة الطباعة الحجرية هو الصعوبة الرئيسية في تقنية الطول الموجي هذه.
تستخدم الطباعة الحجرية فوق البنفسجية القصوى (EUVL) الأشعة فوق البنفسجية القصوى بطول موجي يتراوح بين 10 و14 نانومتر كمصدر للضوء. وعلى الرغم من أنه يُشار إليها في البداية باسم الطباعة الحجرية بالأشعة السينية الناعمة، إلا أنها أقرب إلى الطباعة الحجرية الضوئية. والفرق هو أنه بسبب الامتصاص القوي في المادة، يجب أن يكون نظامها البصري في شكل عاكس.
تتميز الطباعة الحجرية بالأشعة السينية (XRL) بطول موجي لمصدر الضوء يبلغ 1 نانومتر تقريبًا. نظرًا لأنه يوفر تعريضًا عالي الدقة، فقد تم التعرف على XRL على نطاق واسع منذ اختراعه في السبعينيات. وقد أجرت البلدان التي لديها أجهزة إشعاع سنكروتروني، مثل تلك الموجودة في أوروبا والولايات المتحدة واليابان والصين، أبحاثًا ذات صلة على التوالي.
يعد XRL الأكثر نضجًا بين جميع تقنيات الطباعة الحجرية من الجيل التالي. تكمن الصعوبة الرئيسية لتقنية XRL في الحصول على ركيزة قناع ذات خصائص ميكانيكية وفيزيائية جيدة. في السنوات الأخيرة، تم إحراز تقدم كبير في تكنولوجيا القناع. ويُعد كربيد السيليكون (SiC) أنسب مادة ركيزة.
على الرغم من أن مختبر XRL لم يعد المرشح الوحيد للتكنولوجيات المستقبلية بسبب البحوث المتعمقة في القضايا المتعلقة بمختبر XRL، وتطوير الطباعة الحجرية الضوئية، والاختراقات الجديدة في تقنيات الطباعة الحجرية الأخرى، فقد خفضت الولايات المتحدة مؤخرًا استثماراتها في مختبر XRL. ومع ذلك، لا يزال مختبر XRL أحد التكنولوجيات المرشحة التي لا غنى عنها.
يستخدم الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية (EBL) شعاع إلكتروني عالي الطاقة لتعريض مقاوم الضوء للحصول على رسومات هيكلية. وبفضل طول موجة دي برولي الموجي الذي يبلغ حوالي 0.004 نانومتر، لا يتأثر الحزمة الإلكترونية بالحزمة الإلكترونية بحدود الحيود، مما يحقق دقة شبه ذرية. يمكن لـ EBL تحقيق دقة عالية للغاية وتوليد رسومات مباشرة.
وهي ليست فقط أداة إعداد القناع التي لا غنى عنها في إنتاج الدوائر المتكاملة كبيرة الحجم (VLSI) ولكنها أيضًا الطريقة الأساسية لمعالجة الأجهزة والهياكل لأغراض خاصة. وقد وصلت دقة آلات التعريض بالحزمة الإلكترونية الحالية إلى أقل من 0.1 ميكرومتر. ويتمثل العيب الرئيسي في الطباعة الليثوغرافية الإلكترونية في إنتاجيتها المنخفضة، حيث لا تتجاوز 5-10 رقاقات في الساعة، وهو أقل بكثير من مستوى الطباعة الحجرية الضوئية الحالية التي تتراوح بين 50 و100 رقاقة في الساعة.
وتجدر الإشارة إلى تقنية SCALPEL التي طورتها شركة لوسنت تكنولوجيز في الولايات المتحدة. تعمل هذه التقنية على تقليص رسومات القناع مثل الطباعة الحجرية الضوئية وتستخدم تقنيات ترشيح خاصة لإزالة الإلكترونات المبعثرة الناتجة عن امتصاص القناع، وبالتالي تحسين كفاءة الإخراج مع ضمان الدقة.
وتجدر الإشارة إلى أنه بغض النظر عن تكنولوجيا الطباعة الحجرية المستخدمة في المستقبل، فإن الطباعة الحجرية الإلكترونية ستكون بنية تحتية لا غنى عنها لأبحاث الدوائر المتكاملة وإنتاجها.
تستخدم الطباعة الحجرية بالحزمة الأيونية (IBL) الأيونات المتكونة من ذرات الحالة الصلبة أو السائلة المؤينة، التي يتم تسريعها وتركيزها أو موازنتها بواسطة مجال كهرومغناطيسي، لتعريض المقاومة الضوئية. والمبدأ مشابه لمبدأ EBL، ولكن طول موجة دي برولي أقصر (أقل من 0.0001 نانومتر)، وله مزايا مثل تأثير القرب الصغير ومجال التعريض الكبير. يشمل IBL بشكل أساسي الطباعة الحجرية بالحزمة الأيونية المركزة (FIBL) والطباعة الحجرية بالإسقاط الأيوني (IPL).
تم تطوير تقنية FIBL في وقت مبكر، وحققت الأبحاث التجريبية الحديثة دقة 10 نانومتر. وبسبب كفاءته المنخفضة، من الصعب تطبيقه كأداة تعريض في الإنتاج، ويستخدم حاليًا بشكل أساسي كأداة لإصلاح القناع وتشذيب الأجهزة الخاصة في VLSI. ولمعالجة أوجه القصور في تقنية FIBL، طوّر الناس تقنية IPL بكفاءة تعريض أعلى، وتم إحراز تقدم كبير في هذا المجال.
إن عملية الطباعة الحجرية بالأشعة السينية بالأشعة السينكروترونية العميقة والتشكيل الكهربائي والقولبة البلاستيكية هي تقنية شاملة تتألف من الطباعة الحجرية بالأشعة السينية بالأشعة السينية العميقة والتشكيل الكهربائي والقولبة البلاستيكية. العملية الأساسية والأكثر جوهرية هي الطباعة الحجرية بالأشعة السينكروترونية العميقة، في حين أن التشكيل الكهربائي والقولبة البلاستيكية هما مفتاح التطبيق العملي لمنتجات LIGA.
وبالمقارنة مع عمليات أشباه الموصلات التقليدية، تتمتع تقنية LIGA بالعديد من المزايا الفريدة، مثل مجموعة واسعة من المواد التي يمكن استخدامها، بما في ذلك المعادن وسبائكها والسيراميك والبوليمرات والزجاج؛ ويمكنها إنتاج هياكل مجهرية ثلاثية الأبعاد بارتفاع عدة مئات من الميكرومترات إلى مليمتر واحد ونسب عرض إلى ارتفاع أكبر من 200؛ ويمكن أن تكون الأبعاد الجانبية صغيرة تصل إلى 0.5 ميكرومتر، ويمكن أن تصل دقة التصنيع إلى 0.1 ميكرومتر؛ ويمكنها تحقيق النسخ والإنتاج بكميات كبيرة بتكلفة منخفضة.
يمكن إنتاج مختلف الأجهزة الدقيقة والأجهزة الدقيقة باستخدام تقنية LIGA. وتشمل منتجات LIGA الناجحة أو الجاري إنتاجها أجهزة الاستشعار الدقيقة والمحركات الدقيقة والأجزاء الميكانيكية الدقيقة والبصريات المتكاملة والمكونات البصرية الدقيقة ومكونات الموجات الدقيقة والمكونات الإلكترونية الفراغية والأدوات الطبية المصغرة ومكونات ونظم التكنولوجيا النانوية وما إلى ذلك.
تغطي تطبيقات منتجات LIGA نطاقًا واسعًا، مثل تكنولوجيا الآلات، وتكنولوجيا القياس، وتكنولوجيا الأتمتة، وتكنولوجيا السيارات والنقل، وتكنولوجيا الطاقة والنقل، وتكنولوجيا الطاقة والطاقة، وتكنولوجيا الطيران والفضاء، وتكنولوجيا النسيج، والهندسة الدقيقة والبصريات، والإلكترونيات الدقيقة، والطب الحيوي، والعلوم البيئية، والهندسة الكيميائية، وما إلى ذلك.
لا يمكّن المجهر النفقي الماسح الضوئي (STM)، الذي اخترعه بينينج وبوبرير، الأشخاص من مراقبة البنية السطحية للأجسام بدقة وضوح ذرة واحدة فحسب، بل يوفر أيضًا طريقًا مثاليًا للتشغيل الآلي على مستوى النانو على أساس الوحدة الذرية. ويمكن إجراء عمليات التشغيل والتجميع وإعادة التشكيل على المستوى الذري باستخدام تقنية STM.
يجلب جهاز STM إبرة معدنية حادة للغاية (مسبار) قريبة من سطح العينة إلى حوالي 1 نانومتر. عند تطبيق الجهد، يتولد تيار نفقي. يتغير تيار النفق بترتيب من حيث الحجم كل 0.1 نانومتر. من خلال الحفاظ على ثبات التيار ومسح سطح العينة، يمكن تمييز بنية السطح.
يمر التيار النفقي بشكل عام عبر ذرة واحدة عند طرف المسبار، وبالتالي فإن دقته الجانبية تكون على المستوى الذري. ولا يمكن لتقنية المسح النفقي للمسح الضوئي للآلات الدقيقة إزالة الذرات المفردة وإضافتها وتحريكها فحسب، بل يمكنها أيضًا إجراء الطباعة الحجرية STM، والترسيب والحفر الناجم عن شعاع الإلكترون بطرف المسبار وغيرها.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO