من 193 إلى 13.5 نانومتر: كيف تبني الصين منظومة قياس EUV للرقائق؟

لم تعد مشكلة تصنيع الرقائق المتقدمة تقتصر على كيفية طباعة خطوط أصغر، بل أصبحت تشمل كيفية رؤية هذه الخطوط وقياسها من دون إتلاف الرقاقة. تستخدم أنظمة الطباعة EUV ضوءًا بطول موجي يبلغ 13.5 نانومتر، في حين تعتمد منظومات القياس الضوئي التقليدية غالبًا على أطوال موجية عميقة فوق بنفسجية مثل 193 و248 نانومتر. ومع تقلص الأبعاد الحرجة وظهور عيوب أصغر وبنى ترانزستور ثلاثية الأبعاد، تحتاج أدوات الفحص إلى دقة أعلى وسرعة مناسبة وتشغيل غير تلامسي ومنخفض الضرر.5532

لكن ما يتشكّل في الصين ليس آلة طباعة EUV محلية أثبتت جاهزيتها للإنتاج الكمي، بل منظومة أوسع حول قياس وفحص EUV. وتشمل هذه المنظومة مصادر الضوء، والمرايا العاكسة، وأنظمة التفريغ، والكواشف، ومنصات الحركة الدقيقة، والخوارزميات وبرمجيات التحكم في العمليات. وسيبقى التحدي الحقيقي هو دمج هذه المكونات في أداة يمكن تشغيلها لفترات طويلة، ومعايرتها باستمرار، وربط نتائجها ببيانات مصنع الرقائق.

لماذا تحتاج ترانزستورات GAA إلى فحص EUV؟

يمثل الانتقال من ترانزستورات FinFET إلى ترانزستورات البوابة المحيطة بالكامل (GAA) تغييرًا مهمًا في هندسة الرقائق. فالقناة والبوابة والواجهات بين المواد أصبحت أكثر تجسيمًا، وقد توجد بعض البنى الأساسية أسفل طبقات تغطية أو داخل واجهات مواد مختلفة.

لذلك لا تكفي أحيانًا صورة سطحية لتحديد الأبعاد الحرجة، أو شكل الجدران الجانبية، أو الانحراف بين الطبقات، أو العيوب المدفونة. وتربط تقارير منشورة بين بنية GAA والحاجة إلى أدوات فحص جديدة عالية الدقة، لا تلامس الرقاقة ولا تتسبب في إتلافها.8

لا تعني الاستفادة من طول موجي أقصر أن كل مشكلات القياس تختفي تلقائيًا. ففي القياس التشتتي تتأثر شدة الإشارة بحجم العيب وطول موجة الإضاءة؛ ويساعد الانتقال إلى 13.5 نانومتر على رفع الحساسية تجاه العيوب النانوية، لكن النتيجة النهائية تعتمد أيضًا على قدرة المصدر، وجودة البصريات، وضجيج الكاشف، ومواد العينة وخوارزميات إعادة البناء.18

وتستطيع تقنيات مثل القياس التشتتي، والتصوير الحيودي المتماسك (CDI)، والتصوير الانعكاسي، استنتاج معلمات البنية من إشارات الحيود بدل الاعتماد على مسبار يلامس الرقاقة. وقد استخدم المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية (NIST) مصدر HHG مكتبيًا لإجراء قياسات حيود EUV على بنى خطوط وفجوات يقل بعدها الحرج عن 50 نانومتر. كما أظهرت دراسة أخرى حساسية بمستوى النانومتر الواحد تقريبًا لخصائص خارج مستوى بنية توصيل ثنائية الأبعاد.3334

لماذا تحتاج الأقنعة إلى فحص بالطول الموجي نفسه؟

قناع EUV ليس لوحًا شفافًا تقليديًا، بل بنية معقدة تضم أغشية متعددة عاكسة. وقد لا تكشف بعض العيوب الطورية عند استخدام طول موجي مختلف ما إذا كانت ستنتقل فعليًا إلى الرقاقة أثناء التعريض.

لهذا يشير مصطلح الفحص الفعّال ضوئيًا أو actinic inspection عادةً إلى استخدام طول موجي يطابق طول موجة التعريض، أي 13.5 نانومتر. ويتيح ذلك تقييم قابلية العيب للطباعة بصورة أكثر مباشرة، خصوصًا في الأقنعة متعددة الطبقات، حيث قد تكون العيوب الطورية مخفية داخل البنية.48

وهنا تبرز أهمية HHG؛ إذ يمكنها إنتاج ضوء EUV يتمتع بتماسك مكاني وزمني، وهو ما يلائم المجاهر التشتتية المتماسكة وقياسات الحيود والتصوير الخالي من العدسات. وقد عرضت مواد منشورة من سامسونغ نظامًا لمراجعة عيوب أقنعة EUV يعتمد على مصدر HHG مستقل، ما يدل على دخول هذه التقنية إلى نطاق فحص الأقنعة المتخصص وأجهزة البحث والتطوير.42

أربعة مسارات لمصادر EUV ومقايضاتها

البلازما الناتجة عن الليزر LPP: قدرة أعلى وتعقيد أكبر

يعتمد مسار البلازما الناتجة عن الليزر (LPP) عادةً على إطلاق ليزر عالي القدرة على قطرات من القصدير السائل لتوليد بلازما تصدر ضوءًا بطول موجي 13.5 نانومتر. وتستخدم أنظمة EUV التجارية من ASML هذا المبدأ الأساسي.55

الميزة الأبرز لـ LPP هي قدرتها على الاقتراب من متطلبات الطباعة عالية الإنتاجية، وربما من تطبيقات الفحص ذات معدل المرور المرتفع. لكن ثمن ذلك هو تعقيد هندسي كبير يشمل ليزر القيادة، والتحكم في قطرات القصدير، والحد من الحطام، وحماية المرايا الجامعة من التلوث، وإدارة الحرارة والصيانة.

البلازما الناتجة عن التفريغ DPP: خيار أكثر إحكامًا

يولّد مسار البلازما الناتجة عن التفريغ (DPP) بلازما EUV باستخدام تفريغ كهربائي. وقد يكون أكثر إحكامًا من منشآت المسرّعات الكبيرة، كما قد يلائم بعض احتياجات القدرة في أدوات القياس والفحص داخل خط الإنتاج. وتظهر DPP ضمن المسارات التي يجري استكشافها في الصين.1726

لكن هذه التقنية تواجه تحديات مثل تآكل الأقطاب، والحطام، واستقرار البلازما، وعمر المصدر والصيانة طويلة الأجل. فإنتاج ضوء 13.5 نانومتر في تجربة قصيرة لا يثبت وحده ملاءمة المصدر لمصنع رقائق يعمل على مدار الساعة.

الليزر الإلكتروني الحر والمصادر المتزامنة: ممتازة للبحث، صعبة على خط الإنتاج

توفر مصادر الليزر الإلكتروني الحر (FEL) والإشعاع المتزامن سطوعًا وتماسكًا وقابلية للضبط، ما يجعلها مفيدة للقياسات المرجعية، وأبحاث المواد، وتحليل الأقنعة وتطوير العمليات. لكنها تعتمد غالبًا على منشآت مسرّعات كبيرة ومكلفة، ولا تلائم بسهولة تركيبها على أرضية مصنع رقائق عادي.

ولهذا قد يكون دورها الأول هو توفير منصة بحث ومعيار قياس عالي الجودة لمقارنة الأدوات الأخرى، بدل أن تحل فورًا محل المصادر المدمجة المستخدمة في خطوط الإنتاج.

التكتل المجهري المستقر SSMB: رهان طويل الأجل على القدرة المرتفعة

تعتمد تقنية التكتل المجهري المستقر (SSMB)، التي تقودها جامعة تسينغهوا، على حزمة إلكترونات داخل حلقة تخزين. وتُعدّل الحزمة بالليزر داخل جهاز المموج، ثم تحافظ على بنيتها الميكروية أثناء دورانها لتوليد إشعاع متماسك.124

أثبتت أعمال تسينغهوا المبدأ الأساسي للتقنية تجريبيًا، بينما تقترح التصاميم اللاحقة مصدرًا بطول موجي 13.5 نانومتر، وقدرة متوسطة مرتفعة وطيف ضيق. وتذكر بعض وثائق التصميم هدفًا يتجاوز كيلوواط واحد لكل أداة، لكن هذا رقم مستهدف ضمن بحث هندسي، وليس دليلًا على بناء مصدر اجتاز اعتماد مصانع الرقائق للإنتاج الكمي.310

وتشمل العقبات استقرار حزمة الإلكترونات، ودقة تعديل الليزر، والتحكم في حلقة التخزين، وجودة الشعاع، وحجم المنشأة وتكلفتها. لذلك تبدو SSMB أقرب إلى مسار قد يغير إمداد EUV عالي القدرة مستقبلًا، لا إلى أداة قياس مكتبية سهلة الانتشار في الوقت الراهن.

لماذا تُعد HHG مرشحًا مهمًا للجيل المقبل من القياس؟

تستخدم تقنية توليد التوافقيات العالية (HHG) ليزرًا فائق السرعة يُركّز داخل غاز أو وسط مناسب لإنتاج توافقيات تمتد من نطاق EUV إلى الأشعة السينية اللينة. وبالمقارنة مع مصادر بلازما القصدير، تتمتع HHG بعدة مزايا محتملة:

• قابلية التصغير إلى أداة مكتبية: لا تحتاج إلى منشأة إشعاع متزامن ضخمة؛
• تماسك مرتفع: يفيد في التصوير الحيودي المتماسك والقياس التشتتي والتصوير البتيشوغرافي؛
• مرونة في الطول الموجي: يمكن اختيار نطاقات مختلفة وفق المادة والبنية ونموذج القياس؛
• غياب حطام القصدير: لا تعتمد على بلازما قطرات القصدير، ما يخفف ضغط مكافحة هذا النوع من التلوث؛
• خصائص فائقة السرعة: تلائم القياسات المحلولة زمنيًا وأبحاث المواد.3544

وتناسب HHG خصوصًا التطبيقات التي تحتاج إلى تماسك عالٍ، لكن لا تحتاج بالضرورة إلى قدرة ضخمة بمستوى أدوات الطباعة. وقد استخدم NIST مصدر HHG مكتبيًا لقياسات حيود EUV للأبعاد الحرجة، كما تصف دراسات أخرى HHG بأنها اتجاه مهم في قياس وتصوير EUV.3335

غير أن نقاط الضعف واضحة أيضًا: كفاءة التحويل منخفضة، والقدرة الخارجة محدودة، كما تحتاج ثباتية الشعاع والعمر التشغيلي ومعدل التكرار وفاقد البصريات وإنتاجية مسح المساحات الكبيرة إلى تحسين. وقد قدّر تحليل هندسي لفحص أقنعة EUV كاملة الحجم أن بعض التطبيقات قد تحتاج إلى قدرة مصدر في نطاق يقارب 1 إلى 100 ميلي واط. ويتغير هذا الاحتياج بحسب حساسية العيوب ومساحة المسح ونسبة الإشارة إلى الضجيج والإنتاجية، لذلك لا يمكن اعتبار رقم واحد حدًا موحدًا لكل أدوات الفحص.51

وتشير مواد منشورة إلى أن ASML وإنتل وسامسونغ وTSMC استخدمت أو قيّمت تقنيات مرتبطة بـ HHG في مجالات القياس والفحص.1824 لكن هذا لا يعني أن HHG حلت محل مصادر البلازما في جميع أدوات الفحص عالية الإنتاجية؛ فالأدلة العامة أقوى في ما يتعلق بأدوات التطوير، وفحص الأقنعة الفعّال ضوئيًا، وأنظمة القياس المتخصصة.

المنظومة الصينية الناشئة: من المصدر إلى النظام الكامل

تذكر تقارير عامة مجموعة من الشركات الصينية العاملة في مراحل مختلفة من السلسلة، منها: Huaxin Aurora (华芯极光)، وLangdao Technology (朗道科技)، وYunqi Jiyao (云栖极耀)، وHuari Laser (华日激光)، وHaoyu Xinguang (皓宇芯光). وتوزع هذه الجهات جهودها، وفق التقارير المنشورة، بين مصادر الضوء والليزر والمعدات وتكامل الأنظمة، مع تركيز Haoyu Xinguang على مسار HHG.17

أما المبادرة الجامعية الأكثر وضوحًا في مجال مصادر المسرّعات فهي برنامج SSMB في جامعة تسينغهوا. وقد أُنجزت تجربة إثبات المبدأ بالتعاون مع مركز هلمهولتس برلين للمواد والطاقة والمعهد الاتحادي الألماني للفيزياء والتقنية، ما يوضح أن هذا المجال لا يزال يعتمد على خبرة عميقة في علوم المسرّعات والقياس العلمي.214

ولن تكتمل المنظومة المحلية بمصادر الضوء وحدها، بل تحتاج أيضًا إلى:

• مرايا EUV متعددة الطبقات، وحجرات تفريغ وأنظمة مكافحة التلوث؛
• كواشف ومنصات حركة دقيقة وأنظمة محاذاة ومعايرة وقياس إشعاعي؛
• نماذج تشتت وإعادة بناء للصور وتصنيف للعيوب وبرمجيات للتحكم في العمليات؛
• أقنعة أولية وأغشية واقية ومواد مقاومة للضوء وبنى اختبار لعمليات الرقائق؛
• تعاون مباشر مع مصانع الرقائق لربط نتائج القياس بالطباعة الفعلية والأداء الكهربائي ومعدلات الإنتاج السليم.

بعبارة أخرى، لا يكفي عدّ الشركات التي تطور مصادر EUV. المؤشر الأهم هو ظهور أداة كاملة قابلة للتسليم، ونظام معايرة مستقر، وبيانات إنتاج حقيقية تغلق الحلقة بين القياس والعملية الصناعية.

خمسة حواجز بين النموذج المختبري وأداة الإنتاج

1. القدرة المفيدة والإنتاجية

لا تساوي القدرة التي يولدها المصدر القدرة التي تصل إلى العينة بعد خسائر البصريات، أو القدرة التي تتحول إلى إشارة مفيدة لدى الكاشف. وعلى الأداة أن توازن بين حساسية العيوب ومساحة المسح ووقت التعريض والضجيج.

2. الاستقرار طويل الأجل

يحتاج مصنع الرقائق إلى أداة تعمل بثبات عبر الورديات والأشهر، لا جهازًا يحقق أداءً جيدًا خلال عرض مختبري قصير. لذلك يجب مراقبة الطول الموجي والجرعة واتجاه الشعاع والتماسك واستجابة الكاشف ومعايرتها وصيانتها.

3. عمر المصدر والنظام

تؤثر مكونات البلازما والليزر ونظام التفريغ والمرايا والكواشف في دورات الصيانة. كما يؤثر تلوث الحطام وتدهور الأداء البصري وتكلفة استبدال المكونات الأساسية مباشرةً في تكلفة امتلاك الأداة.

4. الارتباط بنتيجة الرقاقة

ليست الصورة عالية الدقة غاية بحد ذاتها. يجب أن تثبت الأداة أن قياساتها للأبعاد الحرجة أو الانحراف بين الطبقات أو خصائص العيوب تتنبأ بمدى قابلية النمط للطباعة وبأداء الجهاز ومعدل العائد. ومن دون هذا الارتباط، يصعب إدخال النتائج في نظام التحكم بالإنتاج.

5. التكامل مع العملية والبرمجيات

يجب أن تتوافق أدوات قياس EUV مع الأقنعة ومواد مقاومة الضوء والأغشية وتضاريس سطح الرقاقة وأنظمة النقل الآلي وواجهات البيانات وأنظمة التحكم في المصنع. وغالبًا ما تكون اختبارات المقارنة واعتماد العملاء وبيانات التشغيل الميداني أهم من تجربة واحدة ناجحة في المختبر.3050

كيف نعرف أن منظومة EUV الصينية نضجت فعلًا؟

ينبغي مراقبة مؤشرات قابلة للتحقق، مثل: هل توجد بيانات تشغيل مستمر؟ هل تُعلن القدرة المفيدة عند العينة وإنتاجية المسح؟ هل يمكن معايرة نتائج اكتشاف العيوب؟ هل ترتبط النتائج بقياسات الإلكترونات أو الإشعاع المتزامن أو الاختبارات الكهربائية للرقائق؟ وهل أكمل مصنع رقائق تجربة طويلة واعتمادًا رسميًا للأداة؟

استنادًا إلى المعلومات العامة المتاحة، قد تسير الصين على مراحل: دخول HHG أولًا إلى البحث والتطوير وفحص الأقنعة والقياس المتخصص؛ سعي DPP ومصادر البلازما المدمجة إلى بعض تطبيقات الفحص داخل الخط؛ استمرار الإشعاع المتزامن وSSMB في أبحاث مصادر الضوء والقياس المتقدم؛ وبقاء LPP مهمًا في السيناريوهات التي تتطلب أعلى قدرة وإنتاجية.

الخلاصة أن ملامح منظومة صينية لقياس وفحص EUV بدأت بالظهور، لكن المسافة بين «تشكل منظومة» و«تحقيق إنتاج كمي موثوق» لا تزال كبيرة. ولن يحدد النجاح مجرد إنتاج ضوء بطول موجي 13.5 نانومتر، بل القدرة على دمج المصدر والبصريات والكاشف والخوارزميات ومواد العملية ومعرفة مصانع الرقائق في أداة يمكن تشغيلها ومعايرتها وخدمتها على نحو مستدام.