كشف فريق من الباحثين الصينيين عما وصفه خبراء الصناعة بـ"أداة متطورة" قادرة على تحديد مصدر عيوب التصنيع أثناء إنتاج الرقائق الدقيقة. ووفقًا للفريق، يمكن لهذه التقنية الجديدة تقليل الأخطاء بنسبة تصل إلى 99% ، مما قد يُمثل نقلة نوعية هائلة في إنتاج أشباه الموصلات المحلي في بكين.
حاليًا، تُعد الطباعة الضوئية من أكثر مراحل تصنيع الرقائق دقةً. ببساطة، تتضمن هذه التقنية استخدام الضوء لطباعة دوائر كهربائية متناهية الصغر على رقائق السيليكون.
يمكن تشبيه هذه العملية بتحميض صورة مجهرية. خلال هذه المرحلة، تُغلف أجهزة الطباعة الحجرية الرقاقة بسائل مقاوم للضوء (مقاوم للضوء). بعد ذلك، يُسلط الضوء فوق البنفسجي عبر قناع منقوش، يعمل بمثابة "مخطط" للدائرة. وأخيرًا، تُحضّر الآلات كيميائيًا المقاوم للضوء بحيث تذوب بعض المناطق وتبقى مناطق أخرى.
الطباعة الضوئية
ما يتبقى يعمل كقالب واقٍ للخطوات اللاحقة، مثل نقش المعدن أو السيليكون. على الرغم من كفاءتها، إلا أن هذه العملية قد تؤدي، بل قد تؤدي بالفعل، إلى مشاكل خطيرة.
"الصندوق الأسود" للطباعة الحجرية
تظهر المشكلة خلال مرحلة التطوير. فعند ذوبانه، لا يتصرف المقاوم الضوئي دائمًا بشكل منتظم. إذ تميل بعض المواد المذابة إلى التجمع في جزيئات مجهرية تلتصق مجددًا بالرقاقة.
خريطة عيوب الشريحة
تُسبب هذه الجسيمات عيوبًا حرجة – جسورًا أو فجوات أو حواف خشنة – تُتلف الرقائق. في أكثر عمليات التصنيع تقدمًا (عقد 5 نانومتر أو أقل)، يُمكن لجسيم صغير يبلغ سمكه 30 نانومترًا (حوالي 1/3000 من سُمك شعرة الإنسان) أن يُدمر لوحة دوائر كهربائية ويجعلها غير صالحة للاستخدام.
هذا يُترجم إلى خسائر فادحة. حتى الآن، لم يتمكن المصنعون من رؤية ما يحدث داخل ذلك المُطوّر بدقة؛ كان في الواقع أشبه بصندوق أسود . اعتمد التحسين على عمليات تجربة وخطأ باهظة التكلفة.
بيضة كولومبوس: "تجميد" العملية
ولفتح هذا الصندوق الأسود، استخدم فريق البروفيسور بينج هايلين (من جامعات بكين وتسينغهوا وهونج كونج) تقنية مخصصة عادة لعلم الأحياء: التصوير المقطعي بالتبريد الإلكتروني (Cryo-ET) .
جمّدوا العملية الكيميائية حرفيًا في منتصفها. بعد كشف وتطوير رقاقة، برّدوا المُطوّر بسرعة إلى -175 درجة مئوية ، جامدًا كل شيء في مكانه. ثم استخدموا التصوير المقطعي الإلكتروني لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد على المستوى الجزيئي.
خريطة لعملية المعالجة بالتبريد مصحوبة بالتصوير المقطعي
سمح لهم ذلك بمراقبة سلوك بوليمرات المقاومة للضوء أثناء التطوير. وللمرة الأولى، رأوا ما الذي حدث.
اكتشفوا أن جزيئات المقاومة الضوئية تتشابك "مثل المعكرونة" بسبب ضعف التفاعلات الكارهة للماء. تتطور هذه التشابكات لتتحول إلى جسيمات سيئة السمعة يتراوح حجمها بين 30 و40 نانومتر.
لكن النتيجة الرئيسية أخرى: حوالي 70% من هذه الجزيئات لا تذوب بشكل صحيح في السائل، بل تبقى "معلقة" عند السطح الفاصل بين الهواء والسائل. عند شطف الرقاقة، تترسب هذه التكتلات على السطح مسببةً عيوبًا.
الحل (الساذج تقريبًا) والأثر الاقتصادي
وبناءً على هذه النتائج، ابتكر الفريق حلين متوافقين مع خطوط تصنيع الرقائق الحالية:
- رفع درجة الحرارة: اقترحوا زيادة طفيفة في درجة حرارة الخبز بعد التعرض. هذا يُقلل من قدرة البوليمرات على التشابك أساسًا.
- تعديل عملية الشطف: قاموا بتحسين عملية الشطف "لحبس" البوليمرات عند واجهة الهواء والسائل، وتغيير التدفق بحيث يغسلها قبل أن تتمكن من إعادة الارتباط بالرقاقة.
وعندما اختبروا الحل، انخفض عدد العيوب في رقائق مقاس 12 بوصة (30.5 سم) بنسبة تزيد عن 99% ، مما أدى فعليًا إلى تحقيق جودة طباعة حجرية شبه مثالية.
لهذا التحول آثار اقتصادية واضحة. فقد بلغ حجم سوق المواد المقاومة للضوء العالمية 6.3 مليار دولار أمريكي عام 2024، ومن المتوقع أن يصل إلى 10 مليارات دولار أمريكي بحلول عام 2030. ويشهد هذا السوق حاليًا احتكارًا محدودًا: إذ يهيمن أكبر خمسة موردين (معظمهم من اليابان والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية) على ما يقارب 90% منه.
إن هذا الابتكار، إذا تم تأكيده على نطاق صناعي، قد يسمح للصين بخفض التكاليف وزيادة العائدات بشكل كبير، وربما الدخول بقوة إلى قطاع المواد المقاومة للضوء الراقية، والذي كان حتى الآن خاضعاً لسيطرة منافسيها الجيوسياسيين.
الأسئلة والأجوبة
لماذا كانت هذه المشكلة صعبة الحل حتى الآن؟
كانت المشكلة تكمن في الحجم. فعملية تطوير المقاومة الضوئية بأكملها تتم على المستوى الجزيئي في ثوانٍ معدودة. كانت أشبه بـ"صندوق أسود" لعدم وجود أدوات قادرة على "تصوير" ما يحدث داخل السائل آنيًا. لم يكن بإمكان المُصنِّعين تحليل العيوب إلا بعد ظهورها ومحاولة تصحيحها بالتجربة والخطأ، وهي عملية بطيئة ومكلفة للغاية.
ما علاقة علم الأحياء بالرقائق الدقيقة؟
استُوحِيَت التقنية المُستخدَمة، Cryo-ET، من علم الأحياء البنيوي، حيث تُستخدم لدراسة الشكل ثلاثي الأبعاد للبروتينات والفيروسات. كانت فكرة الباحثين معالجة البوليمرات الكيميائية للمادة المقاومة للضوء كما لو كانت جزيئات بيولوجية. بتجميدها لحظيًا عند درجة حرارة -175 درجة مئوية، "أوقفوا الزمن"، مما سمح للمجهر الإلكتروني برسم خريطة لبنيتها ثلاثية الأبعاد دون إتلافها.
ما هو التأثير الحقيقي لهذا الاكتشاف؟
التأثير ذو شقين. على المدى القصير، بالنسبة للمصنعين، يعني ذلك زيادةً هائلةً محتملةً في الإنتاجية، أي نسبة الرقائق العاملة لكل رقاقة. وهذا يُخفّض تكاليف الإنتاج. على المدى الطويل، وخاصةً بالنسبة للصين، يعني ذلك استقلالاً تكنولوجياً أكبر. إن إتقان هذا الجانب الحيوي من الطباعة الحجرية يُمكّن بكين من تقليل اعتمادها على الموردين الأجانب (الولايات المتحدة واليابان وكوريا) في قطاع استراتيجي بالغ الأهمية.
المقال "أشباه الموصلات: "الأداة الصينية المذهلة" التي تقضي على العيوب بنسبة 99%" يأتي من موقع Scenari Economici .