يبلغ قطر شعرة الإنسان 70,000 نانومتر، ومحيطها 220,000 نانومتر. إن تصنيع الرقائق الإلكترونية باستخدام تقنية 5 نانومتر يُشبه بناء 44,000 طريق على طول شعرة واحدة.

المؤلف: ليو جيرونج المصدر: Headline@Iron Tower-Liu Zhirong

في 15 مايو/أيار 2020، فرضت الولايات المتحدة حظرًا على رقائق هواوي. ومنذ ذلك الحين، حظيت هذه الرقائق باهتمام واسع من الشعب الصيني. ودخل الحظر حيز التنفيذ في 15 سبتمبر/أيلول. ولم يعد بإمكان مصنّعي الرقائق العالميين، مثل TSMC وMediaTek وQualcomm وSony وSamsung وSK Hynix وMicron، تزويد هواوي بالرقائق. وفي 16 سبتمبر/أيلول، نشرت اللجنة المركزية لفحص الانضباط مقالًا على موقعها الرسمي جاء فيه أن "قطع إمدادات الرقائق عن هواوي قد يكون بداية ازدهار صناعة الرقائق الصينية".

نتحدث عن رقائق البطاطس كل يوم، ولكن هل تعرف ما هي رقاقة البطاطس؟

1. كيف غيّر اختراع الشريحة الإلكترونية حياة الإنسان؟

في 23 ديسمبر 1947، اخترع ثلاثة علماء من مختبرات بيل في الولايات المتحدة، وهم جون بادن وويليام شوكلي ووالتر براتون، ترانزستور بلورة الجرمانيوم، مُدشّنين بذلك عصر أشباه الموصلات في عالم الإلكترونيات. وقد حاز المخترعون الثلاثة على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1956.

كانت فترة الخمسينيات من القرن العشرين العصر الذهبي لأشباه الموصلات. فقد تم تطوير جميع مواد أشباه الموصلات والعمليات الأساسية تقريبًا خلال هذه الفترة.

في 18 أكتوبر 1954، اخترعت شركة تكساس إنسترومنتس راديو الترانزستور. كان هذا الراديو، الذي يحتوي على أربعة ترانزستورات، صغيرًا بما يكفي لوضعه في الجيب.

في الثاني عشر من سبتمبر عام ١٩٥٨، اخترع جاك كيلبي (١٩٢٣-٢٠٠٥)، مهندس الإلكترونيات في شركة تكساس إنسترومنتس، الدائرة المتكاملة، ونجح في إنتاج أول دائرة متكاملة في العالم، وهي عبارة عن شريحة إلكترونية، عام ١٩٥٩. تعتمد هذه الدائرة المتكاملة على نقش ترانزستورات PNP، ومقاومات، ومكثفات على شريحة من الجرمانيوم، وتوصيلها بأسلاك خارجية لتشكيل دائرة كهربائية. أدت هذه الدائرة المتكاملة البسيطة إلى انطلاق صناعة الرقائق الإلكترونية، ودفعت بالعلوم والتكنولوجيا إلى آفاق جديدة، وغيرت حياة البشر جذرياً.

أدى التطور المستمر في تكنولوجيا تصنيع الرقائق الإلكترونية إلى انخفاض كبير في سعر الترانزستور الواحد. ففي عام 1959، كانت الرقاقة تحتوي على 6 ترانزستورات، أي ما يعادل 10 دولارات للترانزستور الواحد؛ وفي عام 1971، ارتفع العدد إلى 2,000 ترانزستور، أي ما يعادل 0.3 دولار للترانزستور الواحد؛ أما في عام 2004، فقد وصل عدد الترانزستورات على الرقاقة إلى عشرات المليارات، وانخفض سعر الترانزستور الواحد إلى جزء من مليار من الدولار. وقد مكّن هذا التحسن في تكلفة الرقائق من دخولها إلى منازل عامة الناس.

يمكن القول إن الشريحة الإلكترونية هي أعظم اختراع في القرن العشرين، والعديد من الاختراعات الأخرى مبنية عليها. اليوم، نعيش في عالم تحيط به الشرائح الإلكترونية، وسيكون من الصعب التنقل بدونها.

لا تنفصل حياة الناس اليومية عن الرقائق الإلكترونية. فالأجهزة الذكية كالهواتف المحمولة والحواسيب والساعات الذكية مزودة برقائق. كما أن معدات الشبكات كأجهزة المودم الضوئية والموجهات ووحدات تخزين USB المحمولة وبطاقات الذاكرة والأقراص الصلبة المحمولة مزودة برقائق. وتوجد الرقائق في معدات الشبكات وملحقات الحواسيب. وبطاقات الهوية وجوازات السفر وبطاقات البنوك وبطاقات التسوق وبطاقات الاستهلاك وغيرها من بطاقات التعريف الشخصية مزودة برقائق. كما أن أجهزة التلفاز ومكبرات الصوت وأجهزة العرض والشواحن ومصابيح LED والموازين الإلكترونية ومكيفات الهواء والثلاجات وأفران الميكروويف ومواقد الحث وسخانات المياه وغيرها من الأجهزة المنزلية مزودة برقائق. وتحتاج أنظمة التحكم في الوصول والمراقبة والخلايا الشمسية وغيرها إلى رقائق أيضًا. ولو تم ابتكار برنامج يعطل جميع الرقائق في العالم، لتوقفت الحياة البشرية تمامًا.

فاز جاك كيلبي بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2000 لاختراعه الشريحة الإلكترونية. كما اخترع الآلة الحاسبة المحمولة والطابعة الحرارية. وعندما وُصف كيلبي بالعالم، قال بتواضع: "العالم هو من يشرح الأشياء ويجب أن يمتلك أفكارًا عظيمة؛ أما أنا فأنا مهندس، أحل المشكلات. مهمتي هي ابتكار عمليات جديدة، وتصنيع منتجات جديدة، وجني المال من الاختراعات والإبداعات".

2. لفهم الشريحة، يجب عليك أولاً فهم "وصلة PN".

كما يتضح مما سبق، تُصنع المكونات الإلكترونية كالصمامات الثنائية والترانزستورات والمقاومات والمكثفات من مواد أشباه الموصلات، ثم تُوصل بالأسلاك. هذه هي الدائرة المتكاملة، وتُسمى أيضًا رقاقة إلكترونية. لفهم الرقائق الإلكترونية، يجب أولًا فهم "وصلة PN"، التي تُعدّ جوهر تكنولوجيا أشباه الموصلات.

عند تطعيم مادة شبه موصلة بعنصر خماسي التكافؤ، يزداد تركيز الإلكترونات، مما يُشكّل شبه موصل من النوع N؛ وعند تطعيمها بعنصر ثلاثي التكافؤ، يزداد تركيز الفجوات، مما يُشكّل شبه موصل من النوع P. و"الفجوة" هي الفراغ المتبقي في الرابطة التساهمية بعد أن تكتسب الإلكترونات طاقةً وتنفصل عن قيود الرابطة لتصبح إلكترونات حرة.

بعد تلامس شبه الموصل من النوع P وشبه الموصل من النوع N، تنتشر الإلكترونات سالبة الشحنة والفجوات موجبة الشحنة باتجاه بعضها البعض؛ ويؤدي انتشار الإلكترونات والفجوات إلى تكوّن مجال كهربائي داخلي على سطح التلامس، ويمنع هذا المجال الكهربائي الداخلي هذا الانتشار، مما يسمح للإلكترونات والفجوات بالانجراف عائدةً. وعندما تصل سرعة انتشار الإلكترونات والفجوات وسرعة انجرافها إلى حالة توازن ديناميكي، تتشكل وصلة PN على سطح التلامس بين شبه الموصل من النوع P وشبه الموصل من النوع N.

تتمثل الخاصية الرئيسية لوصلة PN في "التوصيل الأحادي". إذا استُخدم طرف شبه الموصل من النوع P كقطب موجب وطرف شبه الموصل من النوع N كقطب سالب، يمر التيار عبر وصلة PN. أما إذا استُخدم طرف شبه الموصل من النوع N كقطب موجب وطرف شبه الموصل من النوع P كقطب سالب، فلا يمر التيار عبر وصلة PN. يعتمد استخدام البتات الثنائية في الحواسيب على خاصية وصلة PN. يُمثل مرور التيار عبر وصلة PN القيمة "1"، بينما يُمثل عدم مروره القيمة "0".

الوصلة PN هي ثنائي. إذا وُضِعَ شبه موصل من النوع P بين شبه موصل من النوع N، يتشكل ثلاثي، وهو ثلاثي PNP المذكور سابقًا. بالطبع، إذا وُضِعَ شبه موصل من النوع P بين شبهي موصل من النوع N، فإنه يُصبح ترانزستورًا من النوع NPN.

لا يستطيع الشخص العادي رؤية "الجسم الحقيقي" للشريحة الإلكترونية. فهي صغيرة بحجم قشرة رأس الإنسان وكبيرة بحجم ظفره. ولأنها رقيقة للغاية، يجب تغليفها بغلاف محكم قبل توصيلها بدائرة خارجية. عند فتح جهاز كمبيوتر أو تلفاز أو أي جهاز كهربائي آخر، يمكنك رؤية لوحة دوائر كبيرة. تحتوي هذه اللوحة على العديد من المكونات الإلكترونية، وهذه المكونات ذات الأطراف المتعددة هي الشرائح الإلكترونية. تتصل هذه الأطراف بمنافذ الإدخال والإخراج للشريحة. بعضها موجود على جانبي غلاف الشريحة، وبعضها على جوانبها الأربعة، وبعضها الآخر مُرتب في مصفوفة في الأسفل، مُكتظة بأكثر من 1,000 طرف.

3. هل صنع رقائق البطاطس يشبه نحت الأرض وجميع مباني الطرق على حبة أرز؟

هناك مفهوم جدير بالذكر هنا، وهو "قانون مور". في عام 1965، اقترح غوردون مور، المؤسس المشارك لشركة إنتل، الشركة العالمية الرائدة في تصنيع الرقائق الإلكترونية، أن عدد الترانزستورات على الشريحة الواحدة سيتضاعف سنويًا. ثم عدّل هذا الافتراض لاحقًا ليصبح التضاعف كل عامين. وقد أثبتت التجارب العملية صحة هذا التقدير بشكل عام. ففي عام 2011، احتوت شريحة إنتل كور i7 على 2.27 مليار ترانزستور. أما اليوم، فيتجاوز عدد الترانزستورات في بعض الرقائق المتطورة عشرات المليارات. قبل بضع سنوات، احتوت شريحة الذكاء الاصطناعي WSE، التي أنتجتها شركة سيريبراس سيستمز باستخدام تقنية تصنيع TSMC بدقة 16 نانومتر، على 1.2 تريليون ترانزستور!

يشير مصطلح "العملية" إلى عرض بوابة الترانزستور على الشريحة، والذي يمكننا فهمه عمومًا على أنه حجم الترانزستور. كلما صغرت العملية، زاد عدد الترانزستورات التي يمكن تصنيعها على شريحة واحدة، وبالتالي ازداد حجم الدائرة المتكاملة.

تتزايد سرعة معالجة البيانات في الرقائق الإلكترونية باستمرار، بفضل زيادة تكاملها. فكلما ارتفع مستوى التكامل، صغر حجم المكونات الإلكترونية الموجودة عليها، وقصرت الأسلاك بينها. ويؤدي ذلك إلى تقليل زمن مرور التيار، وخفض استهلاك الطاقة، وتسريع سرعة المعالجة.

توجد ثلاث طرق لزيادة عدد الترانزستورات في الشريحة الإلكترونية. الأولى هي زيادة مساحة الشريحة، والثانية هي تصغير حجم الترانزستورات، والثالثة هي جعل الدائرة المتكاملة ثلاثية الأبعاد. لا يُنصح عمومًا بزيادة مساحة الشريحة لأنها تزيد من استهلاك الطاقة وتقلل من كفاءتها. في الوقت الحاضر، يُعتمد بشكل أساسي على الطريقتين الأخيرتين لزيادة عدد الترانزستورات في الشريحة.

ينتمي تصنيع الرقائق الإلكترونية إلى عالم المجهر، حيث لا يتجاوز حجم مكوناتها الإلكترونية بضعة ذرات أو جزيئات، وتُقاس بوحدات قياس أصغر، هي النانومتر والأنجستروم. أصغر مقياس على المسطرة هو المليمتر، والمليمتر الواحد يساوي 1000 ميكرون، والميكرون الواحد يساوي 1000 نانومتر، والنانومتر الواحد يساوي 10 أنجستروم. يبلغ قطر شعرة الإنسان 70,000 نانومتر، ومحيطها 220,000 نانومتر. إن تصنيع الرقائق باستخدام عملية 5 نانومتر يُشبه بناء 44,000 طريق على طول شعرة.

هناك حدٌّ لتقليص حجم المكونات الإلكترونية، لذا يلجأ الباحثون إلى بناء دوائر متكاملة متعددة الطبقات على شريحة واحدة لزيادة عدد الترانزستورات. يشبه هذا الأمر بناء المباني السكنية؛ فالمنزل ذو الطابق الواحد يستوعب عددًا قليلًا من السكان، بينما يستوعب المبنى ذو الطوابق العشرة عددًا كبيرًا. يُعدّ تكديس الدوائر المتكاملة أكثر تعقيدًا بكثير من بناء مبنى؛ فمع أن تصميم كل طابق من المبنى متشابه، إلا أن دوائر كل طبقة من الشريحة تختلف، والوصلات بين الطبقات بالغة التعقيد.

دعونا نُعمّق هذا التشبيه: صناعة الرقائق الإلكترونية أشبه بنحت الأرض بأكملها على حبة أرز، حيث يجب نحت جميع الطرق والمباني على الأرض. الطرق هي الأسلاك الموجودة على الرقاقة، والمباني هي المكونات الإلكترونية الموجودة عليها. من خلال هذا التشبيه، يمكن للقراء أن يتخيلوا مدى تعقيد وصعوبة صناعة الرقائق الإلكترونية.

4. تنقية السيليكون هي أساس صناعة الرقائق الإلكترونية

هناك العديد من مواد أشباه الموصلات، ولكن في التطبيقات العملية، يستخدم أكثر من 90٪ منها السيليكون لأن درجة انصهار السيليكون تبلغ 1415 درجة مئوية، مما يسمح بعمليات درجات الحرارة العالية في معالجة الرقائق.

يُصهر السيليكون من الرمل، ولكن صهر الرمل وتحويله إلى سيليكون يُستخدم في صناعة الرقائق الإلكترونية يتطلب نقاءً فائقًا. يُطلق على الذهب نقاء 99.99% (أربع تسعات)، بينما يجب أن يصل نقاء السيليكون المستخدم في صناعة الرقائق إلى 11 تسعًا على الأقل، أي ألا تتجاوز نسبة الشوائب ذرة واحدة لكل مليار ذرة سيليكون. وقد تم تكرير السيليكون بهذا النقاء في مختبرات بيل بالولايات المتحدة عام 1955. تحتوي الرقائق الإلكترونية حاليًا على مئات المليارات من المكونات، ومتطلبات نقاء السيليكون فيها أعلى بكثير، إذ لا تقل عن 13 تسعًا. هذا هو أساس صناعة الرقائق. فبدون إتقان تقنية تنقية السيليكون، يستحيل تصنيع أي رقاقة!

قد يتساءل القراء: لماذا يُشترط نقاء السيليكون المستخدم في صناعة الرقائق الإلكترونية؟ المكونات الإلكترونية على الرقاقة متناهية الصغر. فإذا صُنعت الرقاقة باستخدام تقنية 5 نانومتر، فإن شوائب بحجم 1 نانومتر كفيلة بتدميرها بالكامل. لنأخذ مثالاً توضيحياً: إذا كان عرض الطريق 40 متراً، وُضع حجر كبير عرضه متر واحد في منتصفه، فبإمكان السيارات تجنبه دون التسبب في ازدحام مروري. أما إذا كان عرض الطريق 5 أمتار فقط، وُضع حجر كبير عرضه متر واحد في منتصفه، فلن تتمكن السيارات من تجنبه، وسيُغلق الطريق.

لذا، لا يتطلب تصنيع الرقائق الإلكترونية نقاءً عالياً للسيليكون فحسب، بل يتطلب أيضاً خلو جميع مراحل عملية التصنيع من الغبار. تفوق درجة نقاء السيليكون المستخدم في التصنيع نقاء غرف العمليات الجراحية في المستشفيات بمئة ألف ضعف، بل ويتم تنفيذ نصف العملية في بيئة مفرغة من الهواء. ولهذا السبب، لم تضطر مصانع تصنيع الرقائق إلى الإغلاق خلال جائحة كوفيد-19 لمكافحة الوباء، لأن العمال يتمتعون بحماية شاملة، بل إن بعض البدلات الواقية مزودة بأجهزة تنفس خاصة بها لمنع تلوث الرقائق بغازات التنفس البشري.

5. هل آلة الطباعة الحجرية هي في الواقع جهاز عرض للدوائر المتكاملة؟?

إن ترجمة مصطلح "آلة الطباعة الحجرية" غير دقيقة ومضللة للغاية. يعتقد الكثيرون خطأً أن آلة الطباعة الحجرية "تنقش" الدوائر المتكاملة على سطح السيليكون البلوري من خلال التلامس المباشر، تمامًا كما في النقش الحاسوبي. في الواقع، لا يتم "نقش" الشريحة بل "تصويرها". لذلك، من الأنسب تسمية آلة الطباعة الحجرية "جهاز عرض الدوائر المتكاملة".

عندما تدخل رقاقة السيليكون المستخدمة في تصنيع الشريحة مرحلة الطباعة الضوئية، تقوم آلة الطباعة الضوئية بإسقاط نمط الدائرة المتكاملة على طبقة المقاوم الضوئي الموجودة على سطح الرقاقة من خلال القناع. بعد تعريض طبقة المقاوم الضوئي للضوء، تُحفر المنطقة المعرضة باستخدام سائل كيميائي ثم تُنظف. وبهذه الطريقة، يظهر نمط الدائرة المتكاملة. تشبه عملية الطباعة الضوئية عملية التصوير الفوتوغرافي التقليدي؛ حيث يمر الضوء عبر الفيلم السلبي لتحسيس ورق التصوير، ثم يُظهر ورق التصوير المحسس ويُثبت في محلول كيميائي.

تحتاج الشريحة إلى المرور بعشرات أو حتى مئات من عمليات الطباعة الضوئية، وستستغرق العديد من العمليات بعد الطباعة الضوئية عدة أسابيع قبل أن تتمكن من دخول مرحلة التعبئة والتغليف.

تتطور تكنولوجيا تصنيع الرقائق الإلكترونية يومًا بعد يوم، لكن معظم التقنيات الأساسية في هذا المجال تعود إلى مختبرات بيل. وسيظل إسهام مختبرات بيل في ثورة تكنولوجيا المعلومات محفورًا في التاريخ.

7. هل يمكنني صنع رقائق إلكترونية إذا كان لديّ جهاز طباعة ضوئية؟

يهتم العديد من القراء بآلات الطباعة الضوئية ويعتقدون أنه يمكن تصنيع الرقائق الإلكترونية باستخدامها. في الواقع، هذا غير صحيح. فرغم أهمية آلة الطباعة الضوئية في تصنيع الرقائق، إلا أنها ليست سوى واحدة من أكثر من ألف عملية في هذا المجال. وباستخدام آلة الطباعة الضوئية وحدها، لن تتمكن من تصنيع رقاقة إلكترونية إذا لم تتقن العمليات الأخرى.

في عام 1961، أنتجت شركة GCA الأمريكية أول آلة طباعة ضوئية في العالم. يوجد حاليًا سبع شركات في أربع دول حول العالم قادرة على تصنيع آلات الطباعة الضوئية، وهي: أسماير في هولندا، وإنتل، وسوبر تكنولوجي سيميكوندكتور، ورودولف في الولايات المتحدة، ونيكون وكانون في اليابان، وسوسيميكرو في ألمانيا.

كما ذكرنا سابقاً، فإن أساس صناعة الرقائق الإلكترونية هو المواد، أي تنقية السيليكون. فبدون إتقان تقنية تنقية السيليكون، يستحيل إنتاج سيليكون بلوري بنقاء مناسب للرقائق، وبالتالي يستحيل تصنيع الرقائق نفسها.

علاوة على ذلك، تحتوي الشريحة على مئات المليارات من المكونات الإلكترونية. لا يمكن رسم دائرة بهذا الحجم الهائل يدويًا، لذا لا بد من استخدام برامج أتمتة تصميم الإلكترونيات (EDA). تُعدّ EDA تطبيقًا شاملًا للعديد من التخصصات، وتحتكرها ثلاث شركات أمريكية: كادانت، وسينوبسيس، ومينتور جرافيكس.

تلعب برامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) دورًا حاسمًا في عملية تصنيع الرقائق. فوظيفة الرقاقة وتكاملها يعتمدان كليًا على إمكانيات تصميم هذه البرامج. حتى مع توفر السيليكون عالي النقاء وآلات الطباعة الضوئية، لا يمكن تصنيع رقاقة بدون برامج تصميم الدوائر الإلكترونية أو بدون معرفة كيفية استخدامها.

تنويه: هذه المقالة مقتبسة من "IoT IQ". وهي تعبر فقط عن وجهة نظر الكاتب الشخصية، ولا تمثل آراء شركة ساكو مايكرو أو قطاع صناعة الإنترنت. يُسمح بإعادة نشرها ومشاركتها فقط، وذلك دعمًا لحماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم الكاتب عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن