مستقبل رقائق أشباه الموصلات: هل تُعد الطباعة الحجرية بالنقش النانوي الخطوة الكبيرة القادمة؟

لقد تطورت هذه الرقائق لتصبح أصغر حجمًا وأكثر قوة لعقود من الزمان، ولكن هل ستبلغ رقائق الكمبيوتر قريبًا أقصى حد لها؟ أم أن الطباعة الحجرية بالنقش النانوي هي الحل لمستقبل هذه الرقائق؟

أصبح عالمنا أكثر تركيزًا على المستوى الحوسبي بمرور الأيام. ومن الصعب العثور على جزء من حياتنا اليومية لا يحتوي على رقائق أشباه الموصلات، فهي موجودة في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والإلكترونيات المنزلية والسيارات.

إنها وراء أغلب جوانب حياتنا وتظهر دوريًا في إصدارات أكثر تقدمًا. ولكن من وجهة نظر الإنتاج، فإن الاستمرار في تقليل التكاليف مع تقليل حجمها وزيادة كفاءتها ليس بالمهمة السهلة.

استنادًا إلى النظرية التي تتبع تطورها وتتنبأ به ــ التي تسمى قانون مور ــ لا بد للتحسينات في السرعة والقدرة أن يحدث كل عامين تقريبًا، ولا يُقصد به سوى التأثير في الأسعار بشكل ضئيل فقط.

ولكن كيف يمكن ضمان تحقيق هذا التوازن الدقيق في السنوات المقبلة بالرغم من تزايد صعوبة الأمر؟

نحن نعتقد أن الطباعة الحجرية بالنقش النانوي (NIL) ستكون أساس تحقيق هذه الغاية. وإليك السبب.

ماذا تعني الطباعة الحجرية بالنقش النانوي بالضبط؟

يشرح كريس هاولز، مدير العمليات الأوروبية لقسم معدات أشباه الموصلات من Canon، قائلاً: "تُعرَف الطباعة الحجرية بالنقش النانوي عادةً باسم "تقنية الطباعة الحجرية المتقدمة. ونسختنا الخاصة منه مستمدة من خبرتنا في تقنية نفث الحبر".

في الواقع، كانت Canon تعمل في مجال دعم جهات تصنيع أشباه الموصلات في كل أنحاء العالم لما يقرب من خمسين عامًا، حيث تزودهم بأحدث المعدات للطباعة الحجرية لأشباه الموصلات. وهذه هي العملية المستخدمة لطباعة تلك الأنماط الصغيرة عالية الدقة التي تراها على رقائق الكمبيوتر. وهي تتضمن تطبيق ضوء أو إشعاع لنقل نمط على طبقة رقيقة مغطاة بسائل لزج يسمى مقاوم الضوء.

في هذا السياق، تبدو الطباعة الحجرية بالنقش النانوي وكأنها الخطوة التالية الطبيعية، لكونها قادرة على الجمع بين عقود من المعرفة المتخصصة للغاية في الطباعة لدى Canon مع الضوئيات (علم الضوء).

ولكن ما دورها؟ وكيف تختلف عن أي نوع آخر من الطباعة الحجرية؟

تقليص المستقبل

تختلف عملية إنتاج الطباعة الحجرية بالنقش النانوي تمامًا عن الطباعة الحجرية التقليدية لأشباه الموصلات، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تصميمها المعقد.

أولاً، بدلاً من طباعة نمط على رقاقة مغطاة بالكامل بمادة مقاوم الضوء، تُخرِج الطباعة الحجرية بالنقش النانوي قطرات من السائل فقط عند الحاجة. وباستخدام التقنية نفسها التي يمكن العثور عليها في طابعات نفث الحبر من Canon، يمكن قياس كل قطرة والتحكم فيها وتوزيعها بدقة.

ثم يقوم الختم المصنوع خصوصًا والذي يسمى "القناع" بضغط النمط المطلوب في السائل. قد يبدو هذا واضحًا، لكن تذكر أننا نتحدث عن مقياس صغير يتطلب دقة مطلقة. ومن شأن وجود شيء بسيط مثل هواء محتبس بين القناع وطبقة السيليكون الرقيقة أن يعرقل العملية تمامًا، لذلك واجه مطورو الآلات ومصمموها تحديًا استثنائيًا لتجنب أي عناصر خارجية.

من المحتم أن يتطلب الأمر أكثر من قناع واحد على مدى عمر نظام الطباعة الحجرية بالنقش النانوي. ويتم إنشاء الأقنعة أيضًا باستخدام آلة من صنع Canon. ويوضح كريس قائلاً: "تنفذ الآلتان معًا في الأساس عملية من مصدر داخلي لتقنية النقش النانوي".

الجزء الأخير من العملية هو إزالة القناع، تاركًا هياكل صغيرة يتم معالجتها بعد ذلك باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية. وهذه الأنماط الهندسية المعقدة والجميلة للغاية لا تُرى بالعين المجردة، ولا يتجاوز حجمها سوى بضعة "نانومترات"، ومن هنا جاء اسمها.

لوضع هذا في السياق، فإن مقياس النانومتر يبلغ واحدًا من المليار من المتر، ويبلغ قطر شعر الإنسان نحو 100000 نانومتر. ويشرح كريس قائلاً: "كلما كان "حجم الشكل" أصغر [الهياكل المادية الدقيقة] على رقاقة السيليكون، زادت سرعة الجهاز المستخدمة فيه".

"بهذا تصبح الهواتف وأجهزة الكمبيوتر الشخصية أسرع. فكلما كانت معدات الطباعة الحجرية الخاصة بك أكثر تقدمًا لطباعة أشكال بأحجام أصغر على الرقائق، كان أداء تلك الرقاقة أفضل".

أكثر دقة وملائمة من حيث التكلفة وأفضل للبيئة

لا شك أن أي عملية كبيرة ومعقدة إلى هذا الحد تتطلب استثمارات كبيرة من جانب الجهات المصنعة للرقائق، ولكننا نعتقد أن هذه خطوة حكيمة على المدى الطويل. وكدليل على التزامنا، نخطط الآن لبناء محطة جديدة لمعدات أشباه الموصلات في اليابان. وهذا سيضاعف قدرتنا الحالية وسيسمح لنا بإنتاج المزيد من معدات الطباعة الحجرية أكثر من أي وقت مضى.

يوضح كريس قائلاً: "تشير التكلفة الإجمالية للملكية إلى أن هذه التقنية تستحق الاستثمار فيها. وهذا من حيث تكاليف التشغيل، والإنتاجية، فضلاً عن طول العمر".

تأتي التكلفة بالطبع بأشكال وأنماط متعددة. لذا فمن منظور الآلة، من المفهوم أن الطباعة الحجرية بالنقش النانوي كعملية من شأنها أن تقدم قيمة ممتازة مقابل المال للشركات المصنعة ــ ليس فقط في الاستثمار الأوّلي، بل وأيضًا بحكم الطريقة التي تعمل بها التقنية.

على سبيل المثال، عند مقارنتها بأقرب بديل ("الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة" أو EUV) أو حتى الطباعة الحجرية التقليدية لأشباه الموصلات، تجد أن استهلاك الطاقة والنفايات أقل بكثير. وتعني الطبيعة الدقيقة للعملية أنه لا يوجد سوى القليل من المواد الزائدة التي تحتاج إلى التخلص منها وهذا يقلل بشكل ملحوظ من استخدام المواد الكيميائية. ويمكن أن يكون لكلتيهما آثار بيئية ضخمة فضلاً عن تكاليف كبيرة أيضًا.

نحن نبحث معًا على هذا النوع من التقدم الذي لن يؤدي إلى تأمين إرث قانون مور فحسب ــ من حيث سرعة المعالج وقوته ــ بل إنه يضيف أيضًا جانبًا مستدامًا جديدًا وحاسمًا لتصنيع رقائق أشباه الموصلات.

تعرّف على الفريق المسؤول عن تطوير نظام الطباعة الحجرية بالنقش النانوي من Canon.