تداخلية المسح التماسكية الفورييه-بيتكوغرافي لقياس الشكل الثلاثي الأبعاد لمسافات دقيقة عميقة ونسب ارتفاع عالية ومزدوجة الطبقات

نظرة داخل خنادق ضيقة وعميقة للغاية

تملأ الرقائق الدقيقة وأجهزة الاستشعار الحديثة أخاديد دقيقة جداً وعميقة للغاية — خنادق مجهرية قد تصل إلى 300 ميكرومتر عمقاً بينما لا يتجاوز عرضها نحو 10 ميكرومترات. يؤثر شكلها الثلاثي الأبعاد بدقة كبيرة على أداء أجهزة مثل مستشعرات الضغط، والمصابيح الباعثة المتقدمة، والميتاأوبتيكس. حتى الآن، كانت رؤية هذه الأشكال المخفية بوضوح تعني إما الإضرار بالعينة أو القبول بقياسات ضبابية وغير مكتملة. يقدم هذا البحث طريقة بصرية جديدة تنظر عبر المادة بدلاً من ارتداد الضوء عنها، كاشفة خرائط ثلاثية الأبعاد حادة لهذه الميزات العميقة من دون تشريح أو تدمير العينة.

لماذا تهم الخنادق العميقة

تعد هذه الخنادق ذات نسبة الارتفاع العالية — العميقة جداً بالمقارنة مع عرضها — عناصر أساسية في التكنولوجيا المصغرة. في الآلات الدقيقة المعروفة باسم MEMS، تشكّل نوابض مرنة وهياكل شبيهة بالمشط لقياس الضغط أو الحركة. في المصابيح المتقدمة والمكوّنات البصرية توجه الضوء وتزيد الكفاءة. ومع ذلك، يعتمد أداءها بشكل حساس على تفاصيل مثل نعومة القاع، استقامة جدران الجانبين، ومدى مطابقة العمق والعرض للتصميم ضمن كسور الميكرومتر. غالباً ما تعتمد الصناعة على مجاهر إلكترونية لإجراء هذه الفحوص، لكن ذلك يتطلب تقطيع العينة أو إتلافها، وهو أمر غير عملي للتفتيش الروتيني في خطوط الإنتاج.

حدود الأدوات الضوئية الحالية

تحاول الطرق البصرية غير المدمرة معالجة ذلك باستخدام الضوء بدلاً من القص، لكنها واجهت صعوبات مع هذه الهندسيات القصوى. تقنية رائدة، تداخلية المسح التماسكية، تسلط ضوءاً واسع النطاق على السطح وتحلل حُزَم التداخل لبناء خريطة للارتفاع. بالنسبة للهياكل السطحية الضحلة والمفتوحة تعمل هذه الطريقة جيداً. لكن في الخنادق العميقة والضيقة، ينعكس الضوء ويُبعثر مرات متعددة بين الجدران الشديدة الانحدار. النتيجة هي حُزَم تداخل ضعيفة وإشارات مشوشة، خصوصاً عند قاع الخندق، وهو الموضع الذي يحتاج المهندسون إلى قياسات موثوقة. يمكن أن يحسّن الإضاءة الضعيفة ذات الزاوية المنخفضة وضوح الإشارة لكن ذلك يأتي على حساب طمس التفاصيل الدقيقة، مما يفرض مقايضة بين الدقة والموثوقية.

النظر من خلال بدلًا من مجرد النظر إلى

تغير طريقة المؤلفين، المسماة تداخلية المسح التماسكية الفورييه-بيتكوغرافي (FP-CSI)، هندسة القياس. بدلاً من عكس الضوء عن العينة، يمرر النظام ضوءاً قرب-تحت-الأحمر عبر رقاقة سيليكون شفافة ضمن مُداخل تداخلي متوازن بعناية. يتحرك بقعة إضاءة صغيرة جانبياً حتى تُستَبَح العينة بعدة زوايا مختلفة قليلاً من ضوء شبه موازٍ. لأن الضوء يمر عبر البنية مرة واحدة وبانحراف صغير، تقلّ التشوهات كثيراً، وتظل حُزَم التداخل قوية حتى عند قاع الخنادق العميقة جداً. ثم تقوم الطريقة بتصحيح التشوهات الدقيقة في الإشارات المسجلة وتجمع وجهات النظر المتعددة الزوايا في نطاق التردد، لتلصق فعلياً فتحة بصرية أكبر وتستعيد التفاصيل الدقيقة دون حسابات تكرارية مكثفة.

خرائط ثلاثية الأبعاد حادة لأجهزة حقيقية

باستخدام FP-CSI، قاس الفريق خنادق سيليكون مفردة بعمق 300 ميكرومتر وعروض تصل إلى 10 ميكرومترات، فضلاً عن مجسات ضغط MEMS متعددة الطبقات تحتوي مستويات خنادق متعددة. في جميع الحالات أنتجت الطريقة خرائط ثلاثية الأبعاد مفصلة تطابقت عن كثب مع قياسات مرجعية من المجهر الإلكتروني، لكن من دون إتلاف العينة. كانت أخطاء العرض والعمق حوالى واحد في المئة أو أقل عبر تجارب متكررة. تمكن النظام من تمييز خطوط تبعد فقط 1.3 ميكرومتر عن بعضها — وهو عملياً عند الحد الأساسي للدقة الذي تفرضه البصريات — والأهم من ذلك حافظ تقريباً على هذا المستوى من الحدة عند قاع خنادق نموذجية ذات نسب ارتفاع أكبر من 10:1، حيث فشلت التداخليات العاكسة القياسية إلى حد كبير.

ما الذي يعنيه هذا لتصنيع المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن FP-CSI توفر طريقة لـ «رؤية» الشكل الثلاثي الأبعاد الدقيق للأخاديد العميقة والضيقة جداً داخل الأجهزة الميكروية الشفافة بسرعة ومن دون تشريحها. من خلال دمج مزايا فكرتين تصويريتين كانتا منفصلتين سابقاً — قياس الارتفاع القائم على التداخل والتصوير الاصطناعي متعدد الزوايا — تتجاوز التقنية مقايضة طويلة الأمد بين الوضوح والموثوقية. وهذا يجعلها أداة واعدة لتصنيع أجيال قادمة من أشباه الموصلات، وإنتاج MEMS، وأنظمة الميكرو-أوبتوإلكترونيات الأخرى حيث تحدد الأشكال الدقيقة غير المرئية ما إذا كان الجهاز ينجح أو يفشل.

الاستشهاد: Li, Y., Yuan, Q., Huo, X. et al. Fourier ptychographic coherence scanning interferometry for 3D morphology of high aspect ratio and composite micro-trenches. Light Sci Appl 15, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02189-6

الكلمات المفتاحية: قياس بصري ثلاثي الأبعاد, خنادق ميكروية, فحص MEMS, تداخلية, تصنيع أشباه الموصلات