تشكل رقائق السيليكون الأساس لصناعة أشباه الموصلات - فهي اللبنات الأساسية للرقائق الدقيقة وأجهزة الاستشعار والدوائر المتكاملة المستخدمة في كل شيء من الهواتف الذكية إلى الألواح الشمسية. إن عملية صنع رقاقة السيليكون عملية تقنية للغاية وتتطلب نقاءً ودقة وتحكمًا استثنائيين في كل مرحلة. تخضع كل رقاقة لرحلة معقدة من الكوارتز الخام إلى قرص مصقول تمامًا من السيليكون البلوري جاهز لتصنيع الرقاقة.

من الكوارتز إلى السيليكون النقي

يبدأ إنتاج رقائق السيليكون بـ السيليكا (sio₂) - مركب طبيعي موجود في الرمل والكوارتز. لاستخراج السيليكون النقي، يتم تسخين السيليكا الخام مع الكربون في فرن كهربائي عند درجات حرارة تتجاوز 1800 درجة مئوية. هذا التفاعل الكيميائي يفصل الأكسجين عن السيليكون، مما ينتج عنه سيليكون من الدرجة المعدنية بحوالي نقاء 98-99%.

ومع ذلك، تتطلب تطبيقات أشباه الموصلات شكلاً نقيًا للغاية - يُعرف باسم السيليكون الإلكتروني (egs) - مع مستويات شوائب أقل من جزء واحد في المليار. يتطلب تحقيق هذا المستوى من النقاء عملية كيميائية تُعرف باسم عملية سيمنزحيث يتم تحويل السيليكون المعدني إلى غاز ثلاثي كلورو السيلان، ويتم تنقيته بالتقطير، ثم اختزاله بالهيدروجين لتشكيل قضبان السيليكون متعدد البلورات فائقة النقاء.

نمو البلورات

لتحويل السيليكون النقي إلى بنية بلورية واحدة، يتم استخدام تقنيتين أساسيتين لنمو البلورات:

عادةً ما تكون السبائك البلورية المفردة الناتجة 150–300 ملم في القطر ويمكن أن تصل إلى 1-2 متر في الطول. يتم التحكم بعناية في تدرجات درجات الحرارة وسرعات السحب ومعدلات الدوران لضمان بنية بلورية موحدة وتقليل العيوب.

تشكيل السبائك وتقطيعها

بمجرد تشكيل سبيكة البلورة المفردة، تخضع لعدة عمليات ميكانيكية لإعدادها لتقطيع الرقاقة:

1. الطحن والتشكيل - يتم طحن السبيكة الأسطوانية إلى قطر موحد. يتم قطع الأطراف وإضافة شق أو شق اتجاهي للإشارة إلى اتجاه البلورة.

2. التقطيع - باستخدام مناشير الأسلاك الماسية الدقيقة، يتم تقطيع السبائك إلى أقراص رقيقة تتراوح عادةً من 100 ميكرومتر إلى 1 ملم سميكة. يمكن للمناشير الحديثة متعددة الأسلاك تقطيع العشرات من الرقائق في وقت واحد بدقة على مستوى الميكرون.

3. تقريب الحافة - يتم تنعيم الحواف الحادة لكل رقاقة لتقليل الكسر أثناء التعامل معها.

وتؤكد هذه المرحلة على الدقة الميكانيكية حيث أن حتى الاختلافات الطفيفة في السُمك يمكن أن تؤثر على أداء الأجهزة الإلكترونية الدقيقة.

الصقل والحفر والتلميع

بعد التقطيع، يحتوي سطح الرقاقة على علامات منشار مجهرية وطبقات من التلف. الخطوات التالية تعمل على تحسين تسطيحها ونعومتها حتى تصل إلى لمسة نهائية تشبه المرآة تقريبًا:

• اللف يزيل المخالفات السطحية ويضمن سمكًا موحدًا.

• النقش الكيميائي يزيل الضرر الناتج عن النشر والطحن.

• تلميع إنشاء سطح خالٍ من العيوب يشبه المرآة باستخدام مواد كاشطة فائقة الدقة والتسوية الكيميائية الميكانيكية (cmp).

يجمع cmp بين التآكل الميكانيكي والعمل الكيميائي لتحقيق تسطيح السطح المقاس بالنانومتر. يجب أن يكون السطح النهائي خاليًا تمامًا من الخدوش أو الجسيمات أو الملوثات لتلبية المعايير المطلوبة للطباعة الحجرية لأشباه الموصلات.

التنظيف والتفتيش

تمر الرقائق المنظفة عبر مراحل متعددة من الشطف والتجفيف باستخدام الماء منزوع الأيونات فائق النقاء. ويتبع ذلك فحص دقيق، حيث تكتشف المجاهر الضوئية عالية الدقة ومجاهر القوة الذرية أي عيوب أو شوائب دقيقة. كما يتم اختبار تسطيح السطح وتوحيد السُمك والمقاومة لضمان الامتثال الكامل لمواصفات أشباه الموصلات.

يتم رفض الرقائق المعيبة على الفور حيث أن أصغر عيب يمكن أن يؤثر سلبًا على أداء الآلاف من الدوائر المتكاملة.

أنواع الرقاقات المصقولة

اعتمادًا على متطلبات الاستخدام النهائي، يتم تحضير درجات مختلفة من الرقاقة:

يتطلب كل نوع من أنواع الرقاقات مواصفات مختلفة من حيث المقاومة واتجاه البلورة وتحمل السُمك، مما يجعل قدرة المورد ضرورية لنجاح الإنتاج.

التصنيع المتقدم والأتمتة

توظف مرافق إنتاج الرقائق الحديثة أنظمة المناولة الآلية، والأذرع الروبوتية، و بيئات الغرف النظيفة للحفاظ على ظروف خالية من التلوث، يتم مراقبة درجة الحرارة والرطوبة ونقاء الهواء بشكل صارم. يسمح دمج التحكم الرقمي في العملية بتتبع دقيق لرحلة كل رقاقة عبر الإنتاج، مما يضمن إمكانية التتبع والاتساق.

البلوتونيوم، وهي مورد محترف لمواد رقائق السيليكون وركائز أشباه الموصلات، تقدم رقائق عالية الدقة يتم تصنيعها بموجب مثل هذه الأنظمة المتقدمة. تم تصميم منتجاتها لتلبية المتطلبات الصارمة لتطبيقات الدوائر المتكاملة والطاقة الكهروضوئية، مما يضمن الأداء الموثوق به وجودة البلورة الموحدة.

خاتمة

إن صناعة رقاقة السيليكون هي مزيج من العلم والهندسة والحرفية الدقيقة. من استخراج السيليكون الخام إلى نمو بلورات خالية من العيوب والتلميع فائق اللمعان، تحدد كل خطوة جودة الجهاز شبه الموصل النهائي. من خلال الابتكار المستمر والأتمتة، يتمكن المصنعون مثل البلوتونيوم ضمان أن كل رقاقة تدعم مستقبل الإلكترونيات الدقيقة - أنظف وأسرع وأكثر كفاءة من أي وقت مضى.