التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) لمختلف الصناعات
تُستخدم تقنية التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) على نطاق واسع في الصناعات عالية التقنية.

التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) لأشباه الموصلات:
التصنيع الدقيق في قلب ثورة الرقائق الإلكترونية

تُعدّ صناعة أشباه الموصلات أساس التكنولوجيا الحديثة. فمن الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى أنظمة الذكاء الاصطناعي والمركبات الكهربائية والأجهزة الطبية المتطورة، يكاد لا شيء يعمل اليوم بدون الدوائر المتكاملة. ويكمن في صميم هذه الصناعة طلبٌ لا هوادة فيه على الدقة المتناهية التي تُقاس بالميكرومترات وحتى النانومترات.
 
بينما تهيمن تقنيات الطباعة الضوئية، وترسيب الأغشية الرقيقة، والحفر على عناوين الأخبار عند الحديث عن صناعة الرقائق الإلكترونية، إلا أن هناك عاملاً تمكينياً بالغ الأهمية، غالباً ما يُستهان به، يكمن وراء الكواليس: التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC). يُنتج التصنيع عالي الدقة باستخدام الحاسوب مكونات فائقة النعومة، ومستقرة حرارياً، وذات هندسة مثالية، مما يجعل معدات تصنيع أشباه الموصلات ممكنة.
 
تستكشف هذه المقالة لماذا لا تزال عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) لا غنى عنها في النظام البيئي لأشباه الموصلات، والمكونات التي تعتمد عليها، والمواد والتفاوتات المعنية، وتطور أدوات الآلات والعمليات، والتحديات المستقبلية مع انتقال الصناعة نحو التصنيع في عصر الأنجستروم.

لماذا لا تزال عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) ضرورية في صناعة أشباه الموصلات؟

معداتتحتوي مصانع تصنيع أشباه الموصلات على مئات من أدوات المعالجة، تتراوح تكلفة كل منها بين 10 ملايين دولار وأكثر من 400 مليون دولار (كما هو الحال في أنظمة الطباعة الحجرية فوق البنفسجية عالية الفتحة العددية من شركة ASML). وتحتوي كل أداة من هذه الأدوات تقريبًا على مئات أو آلاف الأجزاء المصنعة بدقة عالية.الأسباب الرئيسية التي تجعل من المستحيل الاستغناء تماماً عن التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC):
  • التعقيد الهندسي الشديد: تحتوي العديد من المكونات على قنوات تبريد داخلية معقدة، وفتحات ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية، وجدران رقيقة، وخطوط ثلاثية الأبعاد معقدة يصعب أو يستحيل إنتاجها باستخدام الصب أو التشكيل أو طرق الإضافة البحتة.
  • تنوع المواد: تستخدم معدات أشباه الموصلات الألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ (سلسلة 300، 316L، 17-4PH)، والتيتانيوم، والنحاس، والسيراميك (Al₂O₃، AlN، SiC)، والإنفار، والسبائك الفائقة. ويمكن لتقنية التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) التعامل مع جميع هذه المواد.
  • التفاوتات الضيقة للغاية: التسطيح من 1 إلى 5 ميكرومتر عبر أقطار 450 مم، وموضع الثقب ±2 ميكرومتر، وخشونة السطح Ra < 0.1 ميكرومتر، والتوازي < 2 ميكرومتر هي أمور شائعة.
  • التوافق مع الفراغ والبلازما: يجب أن تتحمل الأجزاء بلازما الفلور أو الكلور القوية، والفراغ العالي للغاية (10⁻⁹ ملي بار)، ودرجات الحرارة من -100 درجة مئوية إلى >800 درجة مئوية دون انبعاث غازات أو توليد جسيمات.
  • الإصلاح والتجديد: يتم تشكيل العديد من المكونات (مثل تجديد ظرف التثبيت الكهروستاتيكي) وإعادة طلائها وإعادتها إلى الخدمة بشكل متكرر - وهي دورة لا يمكن تحقيقها إلا من خلال العمليات الطرحية.
باختصار، في حين أن الشريحة نفسها مصنوعة من خلال العمليات البصرية والكيميائية، فإن الآلات التي تصنع الشريحة يتم بناؤها في الغالب باستخدام عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) فائقة الدقة.

المكونات الرئيسية المصنعة بواسطة آلات CNC

1. غرف التفريغ والهياكل الكبيرة
تحتوي أدوات تصنيع الرقاقات الحديثة بقياس 300 مم والناشئة بقياس 450 مم على حجرات تفريغ مصنوعة من الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي قد يصل وزنها إلى عدة أطنان، ومع ذلك يجب أن تحافظ على توازي الجدران واستواء الحواف بدقة تقل عن 10 ميكرومتر. تُصنع هذه الحجرات عادةً من سبائك الألومنيوم 6061-T6 أو صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ 316L على ماكينات طحن جسرية كبيرة خماسية المحاور مزودة بموجهات هيدروستاتيكية.
2. مراحل الرقاقة ومراحل الشبكة
يُعدّ قلب أدوات الطباعة الحجرية بتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) والأشعة فوق البنفسجية العميقة (DUV) منصة الرقاقات التي تُحرّك رقاقات السيليكون بقطر 300 مم أسفل بصريات الإسقاط بتسارعات تتجاوز 8g مع الحفاظ على دقة موضعية على مستوى النانومتر. تتكون هذه المنصات من تجميعات معقدة من أجزاء خزفية (SiSiC، Zerodur، زجاج ULE) أو ألومنيوم، مصنّعة بدقة تصل إلى أجزاء من الميكرون، ثم تُصقل يدويًا أو تُشذّب باستخدام الماس للوصول إلى الشكل الهندسي النهائي.
3. مشابك التثبيت الكهروستاتيكية (ESC)
تُستخدم المثبتات الكهروستاتيكية لتثبيت الرقاقات بشكل مسطح تمامًا أثناء عمليات الطباعة الحجرية والحفر والترسيب. يجب تشكيل وصقل السطح العازل (عادةً ما يكون من سيراميك Al2O3 أو AlN المرشوش على قاعدة من الألومنيوم أو الموليبدينوم) بدقة تصل إلى أقل من 1 ميكرومتر من القمة إلى القاع على امتداد 300 مم. تتطلب القاعدة نفسها قنوات تبريد داخلية معقدة يتم تشكيلها باستخدام آلات CNC عالية السرعة أو آلات القطع الكهربائي السلكي.
4. رؤوس الدش وحلقات الحواف لتوزيع الغاز
تستخدم أدوات الحفر والترسيب بالبلازما رؤوس رش مزودة بآلاف الثقوب ذات الأحجام والمواقع الدقيقة (قطرها من 50 إلى 500 ميكرومتر) لتوفير غازات معالجة متجانسة. تُصنع هذه الرؤوس عادةً من الألومنيوم أو السيليكون أو الكوارتز عالي النقاء، وغالبًا باستخدام مراكز تصنيع CNC متعددة المحاور مزودة بإمكانيات الحفر بالموجات فوق الصوتية أو الليزر.
5. المكونات البصرية وحواملها
تعمل تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) عند طول موجي 13.5 نانومتر، وتستخدم مرايا متعددة الطبقات عاكسة من الموليبدينوم والسيليكون. تُشَكَّل ركائز المرايا (عادةً من مادة زيرودور أو زجاج ULE) مبدئيًا بشكل خشن باستخدام الخراطة الماسية أحادية النقطة أو الطحن الدقيق، ثم تُصَقَّل بصريًا. يجب تصنيع الحوامل الحركية التي تحمل هذه المرايا باستخدام آلات CNC من مادة إنفار أو سوبر إنفار لتقليل التشوه الحراري إلى أدنى حد.

المواد المستخدمة في تصنيع أشباه الموصلات باستخدام الحاسب الآلي

1. سبائك الألومنيوم
لا يزال سبيكة 6061-T6 الخيار الأمثل نظرًا لسهولة تشكيلها، وقوتها الجيدة، وتكلفتها المنخفضة. وللحصول على صلابة أعلى وتمدد حراري أقل، تُستخدم سبائك ألومنيوم خاصة مثل Al 6061-RAM2، وRSA-6061، أو Cearun™ (ألومنيوم مُقوّى بالسيراميك).
2. سبائك منخفضة التمدد
يوفر Invar 36 و Super Invar (مع إضافة الكوبالت) تمددًا حراريًا أقل من 1 جزء في المليون/درجة مئوية، وهما عنصران أساسيان لمكونات الشبكة ومرحلة الرقاقة.
3. السيراميك والزجاج التقني
  • كربيد السيليكون المشرب بالسيليكون (SiSiC)
  • كربيد السيليكون المرتبط بالتفاعل (RBSC)
  • زجاج Zerodur® (Schott) و ULE® (Corning) ذو التمدد المنخفض للغاية
  • نتريد الألومنيوم (AlN) وألومينا (Al2O3) للمثبتات الكهروستاتيكية

تتطلب هذه المواد الهشة عمليات CNC متخصصة: التصنيع بالموجات فوق الصوتية، أو الطحن في نظام الليونة، أو التصنيع بمساعدة الليزر.

4. معادن عالية النقاء

تُستخدم معادن الموليبدينوم والتنغستن والتيتانيوم في المكونات المعرضة لبلازما الفلور. تتطلب هذه المعادن المقاومة للحرارة آلات CNC صلبة وعالية العزم وأدوات من الماس متعدد البلورات (PCD).

مكونات أشباه الموصلات النموذجية المصنعة بواسطة آلات CNC

مكون
مادة نموذجية
المتطلبات الرئيسية
أمثلة على التسامح
قطع رقائق الويفر (ESC)
الألومينا، AlN
التسطيح < 3 ميكرومتر، Ra < 0.05 ميكرومتر، تسرب الهيليوم < 10⁻⁹
موضع الثقب ±2 ميكرومتر
رؤوس الدش / ألواح الغاز
ألومنيوم مؤكسد، فولاذ مقاوم للصدأ 316L
5000–20,000 ثقب بقطر 0.3–1.0 مم، ودقة موضع ±5 ميكرومتر
< Ra 0.4 ميكرومتر
جدران غرفة التفريغ
6061-T6، 5083 ألومنيوم
ملحومة + مصنعة آلياً، مانعة لتسرب الهيليوم
استواء أقل من 50 ميكرومتر على مساحة 2 متر
مجموعات الأقطاب الكهربائية
النحاس والموليبدينوم عالي النقاوة
موصلية الترددات الراديوية، قنوات التبريد
موقع القناة ±10 ميكرومتر
مجموعات دبابيس الرفع
الفولاذ المقاوم للصدأ المطلي بالسيراميك
مقاومة التآكل، والتحكم في الجسيمات
التمركز < 5 ميكرومتر
الإطارات الهيكلية (الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة)
إنفار 36، سبائك ذات معامل تمدد حراري منخفض
استقرار حراري أقل من 50 جزءًا في المليار/كلفن
دقة تحديد المواقع ±15 ميكرومتر
حلقات التركيز، حلقات الحافة
السيليكون، الكوارتز، كربيد السيليكون
مقاومة التآكل البلازمي
تفاوت الملامح ±10 ميكرومتر
 
تتراوح أحجام هذه الأجزاء من بضعة ملليمترات إلى أكثر من مترين، وتتراوح أوزانها من غرامات إلى عدة أطنان.

مستويات الدقة وعلم القياس

التفاوتات النموذجية في تصنيع معدات أشباه الموصلات:
الميزات
التسامح النموذجي
طريقة القياس
التسطيح (سطح بمساحة 300 مم)
0.5–2 ميكرومتر PV
قياس التداخل (فيزو، زيجو)
تماثل
1-5 ميكرومتر
المستويات الإلكترونية + قياس التداخل
موقع الثقب (آلاف الثقوب)
±2–5 ميكرومتر
آلة قياس التنسيق (CMM)
الانتهاء من السطح
را 0.025-0.1 ميكرومتر
قياس التداخل بالضوء الأبيض
موضع قناة التبريد
± 10 ميكرومتر
التصوير المقطعي المحوسب أو الفحص بالموجات فوق الصوتية
 
تحقق المتاجر الرائدة الآن بشكل روتيني دقة ميكانيكية "أقل من ميكرون" أو حتى "100 نانومتر" على مكونات تزن مئات الكيلوغرامات.

تطور أدوات آلات التحكم الرقمي الحاسوبي لأعمال أشباه الموصلات

1. حقبة التسعينيات - الألفية الجديدة
سيطرت مطاحن الجسر الكبيرة (Waldrich Coburg، Parpas، FPT) المزودة بمقاييس Heidenhain وأنظمة التغذية الراجعة للمقاييس الزجاجية. ووفرت المحامل الهيدروستاتيكية وأنظمة رش الزيت الاستقرار الحراري.
2. العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين: مراحل التحميل الهوائي والرفع المغناطيسي
قدمت شركات مثل Aerotech و Physik Instrumente (PI) و ALIO Industries مراحل محركات خطية تعمل بمحامل هوائية بدقة تكرار أقل من 10 نانومتر. وقد شكلت هذه المراحل العمود الفقري لمراكز التصنيع الدقيقة من الجيل الثاني.
3. الوضع الحالي (2020-2025)
  • آلات الخراطة الماسية أحادية النقطة من شركة Moore Nanotechnology وشركة Precitech لركائز المرايا بتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى
  • مراكز التصنيع الدقيق من Kern Microtechnik وYasda تحقق دقة شكل تبلغ 100 نانومتر
  • سلسلة DMG MORI ULTRASONIC للسيراميك
  • Fanuc ROBONANO α-NMiA: دقة برمجة 0.1 نانومتر ودقة تحديد موضع 1 نانومتر
  • ورش عمل يتم التحكم بدرجة حرارتها عند ±0.01 درجة مئوية مع قواعد عزل اهتزاز نشطة

تحديات المواد واختيارها

1. سبائك الألومنيوم
يُعتبر كل من 6061-T6 و5083 من أكثر أنواع سبائك الألومنيوم استخدامًا نظرًا لسهولة تشكيلهما واستجابتهما الممتازة لعملية الأنودة. تُنتج الأنودة الصلبة (النوع الثالث) طبقة من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) بسماكة 25-50 ميكرومتر، وهي طبقة مقاومة لهجوم البلازما. مع ذلك، قد تتسبب المسامات الدقيقة في عملية الأنودة في احتجاز بعض الجزيئات، لذا تستخدم ورش العمل الحديثة تقنيات إحكام متعددة المراحل وطلاءات خاصة (مثل رش أكسيد الألومنيوم بتقنية القوس الكهربائي المزدوج أو رش أكسيد الإيتريوم بتقنية البلازما).
2. الفولاذ المقاوم للصدأ
تم اختيار الفولاذ 316L لمقاومته للتآكل الناتج عن بلازما NF₃ و Cl₂. ويُعدّ التلميع الكهربائي حتى الوصول إلى خشونة سطحية Ra < 0.2 ميكرومتر ضروريًا للحد من التصاق الجسيمات.
3. سيراميك
تُصنع الألومينا (99.8%)، ونيتريد الألومنيوم، وكربيد السيليكون في حالتها الأولية باستخدام أدوات ماسية، ثم تُلبّد. يقلّ التفاوت المسموح به بعد التلبيد بنسبة 18-22%، مما يستلزم نماذج متطورة لتعويض الانكماش.
4. سبائك ذات معامل تمدد حراري منخفض
يتم استخدام Invar 36 و Super Invar في مراحل الطباعة الحجرية EUV و DUV حيث تكون هناك حاجة إلى استقرار نانومتري عبر تقلبات درجة الحرارة من 10 إلى 40 درجة مئوية.
5. المعادن المقاومة للحرارة
يتم تشكيل الموليبدينوم والتنغستن لتصنيع أقطاب كهربائية عالية الحرارة. هذه المواد شديدة الكشط وتتطلب آلات صلبة مزودة بسائل تبريد عالي الضغط (70-100 بار).

عمليات التشغيل الآلي الحرجة

1. التشغيل الآلي عالي السرعة للألمنيوم

تتيح سرعات دوران المغزل S من 20,000 إلى 42,000 دورة في الدقيقة، وأدوات PCD المتوازنة أو أدوات الماس أحادية البلورة، والتبريد بالرذاذ، وخوارزميات التنبؤ المسبق الحصول على تشطيبات تشبه المرآة (Ra < 4 نانومتر) في تمريرة واحدة.

2. تشكيل السيراميك في نظام المطيلية

من خلال الحفاظ على عمق القطع أقل من عتبة حرجة (عادة < 1 ميكرومتر)، يمكن تشكيل المواد الهشة بطريقة مرنة باستخدام أدوات الماس فائقة الحدة، مما ينتج عنه أسطح ذات جودة بصرية دون تشقق.

3. خراطة الماس أحادية النقطة (SPDT)
ضروري لركائز المرايا غير الكروية بتقنية الأشعة فوق البنفسجية القصوى. تعمل الآلات في بيئات رذاذ الزيت أو الفراغ مع تغذية راجعة دون النانومتر.
6.4 سلك EDM وجهاز EDM الغاطس
تُستخدم هذه التقنية في قنوات التبريد العميقة والتفاصيل الدقيقة في المواد الصلبة. وتُحقق المولدات الحديثة تشطيبات سطحية أقل من 0.1 ميكرومتر Ra في عملية قطع واحدة.
5. التصنيع الهجين الإضافي والطرحي
الاتجاه الناشئ: الطباعة ثلاثية الأبعاد لأشكال قريبة من الشكل النهائي من مادة إنفار أو التيتانيوم، ثم التشطيب الآلي على نفس المنصة (مثل Hermle MPA أو Lasertec DED الهجينة).

متطلبات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) الدقيقة وفائقة الدقة

تتطلب مكونات أشباه الموصلات بشكل روتيني ما يلي:
  • دقة تحديد الموضع: ±2-5 ميكرومتر على مدى حركة 500-2000 مليمتر
  • قابلية التكرار: أقل من 1 ميكرومتر
  • تشطيب السطح: Ra 0.025–0.1 ميكرومتر على الأسطح المواجهة للبلازما
  • التسطيح: 1-3 ميكرومتر على قطر 300-450 مم
  • التوازي/التعامد: < 3 ميكرومتر
ولتحقيق ذلك، تستثمر ورش تصنيع الآلات في:
  • مراكز التصنيع ذات 5 محاور أو حتى 8 محاور (مثل: Yasda، Makino، DMG MORI، Kern، Liechti)
  • مغازل هيدروستاتيكية أو محامل هوائية تعمل بسرعة 20,000-60,000 دورة في الدقيقة
  • أنظمة تثبيت حراري تحافظ على درجة حرارة الماكينة ضمن نطاق ±0.1 درجة مئوية
  • أدوات فحص وضبط أدوات الليزر على الآلة بدقة 0.1 ميكرومتر
  • قواعد من الجرانيت أو الخرسانة البوليمرية مع عزل اهتزاز نشط
مثال: يمكن لجهاز Yasda YBM-950V تحقيق دقة حجمية تبلغ 1 ميكرومتر على مساحة 900×500×400 مم بفضل هيكل الصندوق داخل الصندوق ومقاييس الدقة 0.05 ميكرومتر.

أبجد هوز دولور الاعتصام ، consectetur adipiscing النخبة. Ut elit tellus، luctus nec ullamcorper mattis، pulvinar dapibus leo.

تقنيات التصنيع المتقدمة

1. التصنيع عالي السرعة باستخدام أدوات صغيرة
قد تحتوي رؤوس الدش على 15,000 ثقب بقطر 0.5 مم، محفورة بسرعة 40,000 دورة في الدقيقة باستخدام قواطع دقيقة بقطر 0.1 مم. يمنع الحفر المتقطع مع تبريد الأدوات بضغط 100 بار إعادة التحام الرايش.
2. التصنيع بمساعدة الموجات فوق الصوتية
بالنسبة للسيراميك والكوارتز، فإن الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية بتردد 20-40 كيلو هرتز يقلل من قوى القطع بنسبة 30-70%، مما يحسن بشكل كبير من جودة السطح وعمر الأداة.
3. خراطة الماس أحادية النقطة (SPDT)
تُستخدم هذه التقنية في العدسات التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء وبعض الأقطاب الكهربائية النحاسية. وتُعتبر التشطيبات السطحية التي تصل إلى Ra 3-5 نانومتر إجراءً روتينياً.
4. الطحن المتزامن ذو المحاور الخمسة للأشكال الهندسية المعقدة
يتم تشكيل قنوات التبريد الداخلية بقطر 1 مم ونسبة عرض إلى ارتفاع 20:1 باستخدام أدوات مدببة طويلة المدى ومسارات أدوات حلزونية.
5. عمليات الجمع والطرح الهجينة
يتم طباعة بعض المكونات الجديدة (مثل رؤوس الدش المبردة بشكل متطابق) بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مادة إنكونيل أو النحاس عبر تقنية DMLS/LaserCusing، ثم يتم تشكيلها نهائيًا على نفس الآلة بدقة ±10 ميكرومتر.

القياسات وضمان الجودة

تخضع أجزاء أشباه الموصلات لأدق عمليات الفحص في أي صناعة:
  • آلات قياس الإحداثيات فائقة الدقة من نوع Zeiss Prismo أو Leitz PMM-C بدقة تصل إلى ±0.3 ميكرومتر
  • مقاييس التداخل ذات إزاحة الطور Zygo GPI أو 4D Technology لقياس التسطيح
  • مقاييس التداخل الضوئي الأبيض من بروكر للأسطح ذات خشونة سطحية Ra < 50 نانومتر
  • اختبار تسرب مطياف الكتلة بالهيليوم حتى 10⁻¹⁰ ملي بار·لتر/ثانية
  • تحليل الغاز المتبقي (RGA) بعد التسخين عند درجة حرارة 150 درجة مئوية للتأكد من أن انبعاث الغازات أقل من 10⁻⁹ تور·لتر/ثانية/سم²
  • عد الجسيمات باستخدام عداد الجسيمات السائلة (LPC) أو ماسح الجسيمات الليزري بعد التنظيف بالموجات فوق الصوتية
تستخدم العديد من الورش الآن القياس أثناء العملية: أجهزة ضبط أدوات الليزر من Blum، ومجسات قياس الإجهاد من Renishaw OMP400، وأجهزة استشعار الانبعاث الصوتي من Marposs للكشف عن التقطيع الدقيق في الوقت الحقيقي.

التصنيع والمعالجة اللاحقة في غرف نظيفة

لأن الجسيمات التي يزيد حجمها عن 30 نانومتر يمكنها أن تدمر ترانزستورًا بحجم 3 نانومتر، فقد قامت العديد من ورش العمل المتطورة بتركيب غرف نظيفة من فئة ISO 5 (الفئة 100) أو ISO 4 مباشرة حول آلاتها الدقيقة.
 
ومن الأمثلة على ذلك:
  • بولين ألتراسونيكس (الولايات المتحدة الأمريكية)
  • مرفق غرفة نظيفة لتصنيع أجهزة التحكم الرقمي بالحاسوب من شركة تيروليت (النمسا)
  • غرفة التنظيف الدقيقة للتصنيع التابعة لشركة كانون في أوتسونوميا (اليابان)
تتضمن عمليات التنظيف بعد التشغيل الآلي عادةً ما يلي:
  1. ماء منزوع الأيونات عالي الضغط + تحريك ميغاسونيك
  2. التنظيف الكيميائي متعدد الخطوات (SC-1، SC-2، بيرانا)
  3. تجفيف الشعر بالنيتروجين فائق النقاء
  4. خبز بالتفريغ عند درجة حرارة 150-200 درجة مئوية
  5. وضع الأكياس في أكياس مملوءة بغاز النيتروجين

دراسة حالة: تصنيع لوحة قاعدة منصة رقاقة السيليكون بتقنية الطباعة الحجرية فوق البنفسجية القصوى

توضح لوحة قاعدة منصة رقاقة السيليكون EUV النموذجية مقاس 450 مم مدى التعقيد:
  • المادة: سيراميك SiSiC، 900 × 800 × 100 مم
  • متطلبات التسطيح: أقل من 1 ميكرومتر من السماكة السطحية على كامل السطح
  • 120 قناة تبريد مدمجة، قطرها 3 مم، وموضعها ±15 ميكرومتر
  • 600 قطعة ملولبة (M4 هيليوم خفيف)
  • السطح النهائي: مصقول بدقة Ra < 50 نانومتر
تدفق العملية:
  1. التشغيل الأخضر للقطعة الخام المترابطة بالتفاعل
  2. التغلغل السيليكوني والمعالجة الحرارية
  3. عملية الطحن الخشن على مركز تشغيل خماسي المحاور
  4. عملية تشطيب نهائية بنظام مطاوعة بعمق قطع 1 ميكرومتر
  5. التشطيب المغناطيسي الانسيابي (MRF) لتصحيح الشكل النهائي
  6. القياسات على مقياس التداخل ذي الفتحة Zygo VeriFire MST 600 مم
  7. الصقل اليدوي النهائي إذا لزم الأمر
إجمالي وقت التشغيل الآلي: من 6 إلى 10 أسابيع لكل جزء. التكلفة: من 800,000 ألف دولار إلى 1.2 مليون دولار.

التحديات التي تواجه الصناعة مع انتقالها إلى عقد أقل من 2 نانومتر

1. استقرار على مستوى الأنجستروم
ستتطلب أدوات الطباعة ثلاثية الأبعاد عالية الفتحة العددية بتقنية الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة (EUV) في المستقبل ثباتًا في تحديد موضع المنصة في نطاق 50-100 بيكومتر. وهذا يدفع المكونات الميكانيكية نحو حدود المواد الأساسية.
2. انتقال 450 مم
تتطلب الرقاقات الأكبر حجماً مكونات مصنعة أكبر حجماً بنفس الدقة النسبية - مما يؤدي إلى زيادة هائلة في الصعوبة.
3. مواد جديدة
ستتطلب المواد القائمة على الكربون (طلاءات الجرافين، والكربون الشبيه بالماس)، والمركبات المعدنية، والهياكل الضوئية نماذج تصنيع جديدة تمامًا.
4. الاستدامة
يواجه القطاع ضغوطاً لخفض استهلاك الطاقة والمياه والمواد الكيميائية. وتتبنى ورش التصنيع تقنيات التشحيم بكميات قليلة، والتبريد المبرد، وإعادة تدوير رقائق الألومنيوم.

خاتمة

بينما لا تزال الأضواء مسلطة في أخبار أشباه الموصلات على طول موجة الطباعة الحجرية وكثافة الترانزستورات، فإن الحقيقة هي أنه لا يمكن تصنيع أي شريحة متطورة دون جيش من المكونات الميكانيكية فائقة الدقة التي تُنتجها آلات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC). من غرف التفريغ متعددة الأطنان المسطحة بدقة تصل إلى ميكرون واحد، إلى منصات رقائق السيراميك المستقرة بدقة تصل إلى بضعة ذرات، تعمل آلات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) على الحدود القصوى لما هو ممكن ميكانيكيًا.
 
مع تسارع وتيرة الصناعة نحو تصنيع مكونات دقيقة للغاية (بمقياس الأنجستروم) ورقائق السيليكون بحجم 450 مم، ستزداد متطلبات التصنيع الدقيق. وستظل ورش العمل القادرة على توفير دقة دون الميكرون على أجزاء بحجم المتر، باستخدام مواد متطورة، وفي ظروف غرف نظيفة، شركاء لا غنى عنهم لشركات مثل ASML وApplied Materials وLam Research وTokyo Electron، بالإضافة إلى مصنعي الرقائق أنفسهم.
 
في النهاية، فإن قانون مور الشهير ليس مجرد قصة فيزياء وكيمياء - بل هو أيضاً انتصار للهندسة الميكانيكية يتم تنفيذه من خلال تصنيع مكون واحد بشكل مثالي في كل مرة.