في الآونة الأخيرة، اقترح البروفيسور تسومورو شينتاكي من معهد أوكيناوا للدراسات العليا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) تقنية ثورية للطباعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) والتي لا تتجاوز حدود تصنيع أشباه الموصلات الحالية فحسب، بل تبشر أيضًا بفصل جديد في مستقبل الصناعة.
يعمل هذا الابتكار على تحسين الاستقرار وقابلية الصيانة بشكل كبير لأن تصميمه المبسّط يتطلب فقط مرآتين ومصدر ضوء بقوة 20 وات فقط، وبالتالي تقليل إجمالي استهلاك الطاقة للنظام إلى أقل من 100 كيلو وات، وهو ما يمثل عُشر استهلاك الطاقة للتقنيات التقليدية (التي تتطلب عادةً أكثر من 1 ميجا وات (=1000 كيلو وات)). يحافظ النظام الجديد على تباين عالٍ للغاية مع تقليل تأثير القناع ثلاثي الأبعاد، وتحقيق الدقة على مستوى النانومتر المطلوبة للنقل الدقيق للأنماط المنطقية من الأقنعة الضوئية إلى رقائق السيليكون.
إن جوهر هذا الابتكار هو استخدام مصدر ضوء EUV أكثر إحكاما وكفاءة، مما يقلل التكاليف بشكل كبير مع تحسين موثوقية المعدات وعمرها الافتراضي بشكل كبير. واللافت للنظر بشكل خاص هو أن استهلاكه للطاقة لا يتجاوز عُشر استهلاك آلات الطباعة الحجرية EUV التقليدية، مما يمهد الطريق للتنمية الخضراء والمستدامة في صناعة أشباه الموصلات.
ويكمن مفتاح هذا الاختراق التكنولوجي في حل مشكلتين طالما أزعجتا الصناعة: الأولى هي تصميم نظام إسقاط بصري بسيط وفعال يتكون من مرآتين فقط تم تكوينهما بعناية؛ والثانية هي تطوير طريقة جديدة يمكنها توجيه ضوء EUV بدقة إلى منطقة النمط المنطقي على المرآة المستوية (قناع الصورة) دون عوائق، مما يحقق تحسينًا غير مسبوق للمسار البصري.
تحديات الطباعة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية القصوى
المعالجات التي تجعل الذكاء الاصطناعي ممكنًا، والرقائق منخفضة الطاقة للأجهزة المحمولة مثل الهواتف المحمولة، والرقائق الخاصة بذاكرة DRAM عالية الكثافة - كل هذه الرقائق أشباه الموصلات المتقدمة يتم تصنيعها باستخدام الطباعة فوق البنفسجية القصوى.
ولكن إنتاج أشباه الموصلات يواجه مشاكل تتعلق بارتفاع استهلاك الطاقة وتعقيد المعدات، وهو ما يزيد بشكل كبير من تكاليف التركيب والصيانة واستهلاك الكهرباء. ويشكل اختراع البروفيسور تسومورو شينتاكي التكنولوجي استجابة مباشرة لهذا التحدي، ويصفه بأنه إنجاز رائد "يحل هذه المشاكل الخفية بشكل شبه كامل".
تعتمد الأنظمة البصرية التقليدية على الترتيب المتماثل للعدسات والفتحات لتحقيق الأداء الأمثل، ولكن الخصائص الخاصة لضوء EUV - الطول الموجي القصير للغاية والامتصاص السهل بواسطة المواد - تجعل هذا النموذج غير قابل للتطبيق بعد الآن. يحتاج ضوء EUV إلى الانعكاس بواسطة مرآة هلالية ومتعرجة في مساحة مفتوحة، مما يضحي ببعض الأداء البصري. تعمل تقنية OIST الجديدة، من خلال نظام المرآة المزدوجة المحورية المرتب في خط مستقيم، ليس فقط على استعادة الأداء البصري الممتاز، بل إنها تبسط أيضًا بنية النظام إلى حد كبير.
انخفاض كبير في استهلاك الطاقة
نظرًا لأن طاقة EUV يتم إضعافها بنسبة 40% عند كل انعكاس للمرآة، وفقًا لمعيار الصناعة، فإن حوالي 1% فقط من طاقة مصدر ضوء EUV تصل إلى الرقاقة من خلال المرايا العشر المستخدمة، مما يعني أن هناك حاجة إلى إخراج ضوء EUV مرتفع للغاية. لتلبية هذا الطلب، يتطلب ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي يحرك مصدر ضوء EUV الكثير من الكهرباء، بالإضافة إلى الكثير من مياه التبريد.
وعلى النقيض من ذلك، من خلال الحد من عدد المرايا إلى إجمالي أربعة فقط من مصدر ضوء EUV إلى الرقاقة، يمكن نقل أكثر من 10% من الطاقة، مما يعني أنه حتى مصدر ضوء EUV الصغير بقوة عشرات الواط يمكن أن يعمل بشكل فعال. وهذا يمكن أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة.
التغلب على تحديين رئيسيين
وبالمقارنة بمعايير الصناعة الحالية، أظهر طراز OIST مزايا كبيرة بتصميمه الانسيابي (مرآتان فقط)، ومتطلبات مصدر الضوء المنخفضة للغاية (20 وات) واستهلاك الطاقة الإجمالي (أقل من 100 كيلو وات) الذي يقل عن عُشر استهلاك التقنيات التقليدية. لا يضمن هذا الابتكار نقل النمط بدقة نانومترية فحسب، بل يقلل أيضًا من التأثير ثلاثي الأبعاد للقناع، مما يحسن الأداء العام.
وبشكل خاص، من خلال تقليل عدد انعكاسات المرآة إلى أربعة أضعاف، يحقق النظام الجديد كفاءة نقل طاقة تزيد عن 10%، مما يسمح حتى لمصادر الضوء EUV الصغيرة بالعمل بكفاءة، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير. لا يقلل هذا الإنجاز العبء على ليزر ثاني أكسيد الكربون فحسب، بل يقلل أيضًا من الحاجة إلى مياه التبريد، مما يجسد مفهوم حماية البيئة.
كما اخترع البروفيسور تسومورو شينتاكي طريقة الإضاءة الضوئية "حقل الخط المزدوج"، والتي تحل بذكاء مشكلة تداخل المسار الضوئي وتحقق رسمًا دقيقًا للأنماط من قناع الصورة إلى رقاقة السيليكون. وشبهها بضبط زاوية مصباح يدوي لإضاءة المرآة بأفضل طريقة، وتجنب تصادم الضوء وتعظيم كفاءة الإضاءة، مما يدل على إبداعه وحكمته غير العادية.
