السيليكون : وقود التكنولوجيا ومحرك عجلات التطور

قد يخطر ببالك عند سماع إسم السيليكون هو تلك المادة اللاصقة التي تستخدم لتثبيت النوافذ و الأبواب في مكانها، أو كونها مادة مهمة في صناعة القوالب وغيرها من الاستخدامات المرنة. أما في الحقيقة فإن أهمية هذا العنصر تتعدى كونه مجرد لاصق أو مادة قابلة للتصلب في ظوروف معينة.

السيليكون عنصر كيميائي له الرمز الكيميائي Si والرقم الذري 14، وهو شبه فلز رباعي التكافؤ أي يمكنه التفاعل مع 4 ذرات اخرى في نفس الوقت وينتمي إلى عائلة أشباه الموصلات ( والتي يمكن أن تكون موصلة او غير موصلة اعتماداً على بعض الحالات الفيزيائية )، له لمعان معدني أزرق رمادي وهو مادة صلبة بلورية صلبة وهشة، وهو ينتمي إلى المجموعة 14 من الجدول الدوري، وهي أعلى من الكربون وتحت الجرمانيوم والقصدير والرصاص والفليروفيوم. ولا يتفاعل كثيرًا.

وهو بشكله التجاري غير نقي ويحتوي على العديد والعديد من الشوائب و الاضافات الكيميائية لتحديد خواصه، لذلك تجده بشكل مختلف تجارياً عن شكله في الطبيعة. أما السيليكون النقي فيعتبر العنصر الاساسي في تكوين وتصنيع القطع الالكترونية بما في ذلك أشباه الموصلات مثل المعالجات، والدوائر المصغرة المدمجة، والحساسات، وألواح الطاقة الشمسية وغيرها التي تتطور كل سنة بشكل يدفع التطور وعجلة الاقتصاد إلى التحرك.

إنتاج السيليكون النقي

تعتبر عملية تنقية السيليكون عملية في غاية الأهمية إن لم تكن الاهم في صناعة أشباه الموصلات والمعالجات، فيجب أن يكون السيليكون المستخدم نقي بنسبة 99.99%، أي أن اصغر الشوائب الموجودة فيه لا تتعدى حتى ال1 نانو متر ! وهذا رقم صعب الوصول ولكنه غير مستحيل .

مابعد فكرة الإنتاج هناك الرقاقة

إنتاج السيليكون النقي كان يعتمد على طرق كثيرة ومكلفة وغير مجدية إقتصادياً حتى عام 1950 قام أحد العلماء بابتكار طريقة تعرف باسم طريقة تشوتشرالسكي (Czochralski method)  لإستخدامه في أشباه الموصلات والمعالجات وهي طريقة تعتمد على صهر السيليكون وإضافة بعض المواد التي تعمل على زيادة توصيل الكهرباء مثل الفوسفور ومن ثم سحبه ببطئ ليتكون لدينا اسطوانة كبيرة من السيليكون تسمى Ingot يمكن قصها إلى رقائق صغيرة يمكن التعامل معها في المختبرات والمعامل. ثم ما بعد عملية القص حسب الحجم يتم صقل وتنعيم هذه الرقائق وتعقيمها بحيث تصبح جاهز لاستخدامها لخطوات اخرى.

إنتاج الرقاقة يسمح لشركات التصنيع مثل TSMC و INTEL بالقيام بطباعة خرائط و دوائر إلكترونية دقيقة جداً تصل حتى وقت كتابة هذه المقالة إلى 2 نانو متر، وعند كل تصغير لحجم هذه الدوائر تتضاعف قوة المعالجة الحاسوبية وبذلك يصبح المعالج أقوى وأقوى كل عدة سنوات .

اقرأ أيضا: الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة

إضافة الشوائب

أحياناً يتم اضافة الشوائب مثل الفوسفور و البورون أثناء عملية الصهر ويمكن أيضاً اضافته بعد أن يتم إنتاج اسطوانة السيليكون وتقطيعها باستخدام عملية تعرف باسم إضافة الشوائب باستخدام الأيونات وهي تعتمد على فكرة تحويل العناصر إلى أيونات ومن ثم توجيه هذه الأيونات إلى طبقة السيليكون بحيث يتم الاندماج بينهم .

طبقات المعالجة

رقائق السيليكون Silicon Wafers  تحتاج إلى العديد من العمليات الكيميائية والفيزيائية حتى بعد الصقل والتلميع والتجهيز، فتدخل إليها سلسلة معقدة من العمليات تبدأ من المعالجة باستخدام الأكسجين في درجة حرارة مضبوطة بحيث يتم تكون طبقة من أكسيد السيليكون سمكها عدة نانومترات لتعمل كأساس لبناء الدوائر الكهربائية فوقه كعملية وضع ألعاب التركيب أو الليغو فوق بعضها البعض. فيتم بناء العديد من المسارات والطبقات من المعادن كالذهب والنحاس والالمونيوم والبلاتين وغيرها .

الطباعة الضوئية

الطباعة الضوئية أو ال Photolithography ، هي العملية التي يتم فيها نحت قوالب دقيقة قد تصل إلى حجم أقل من 2 أو 3 نانومتر بغرض رسم الدوائر الكهربائية داخلها، تخيل عزيزي القارئ أن تقوم بعمل قالب على شكل مربع ومن ثم صب خرسانة في هذا القالب وعند أزالته سيصبح لديك مربع خرساني، نفس المبدأ يتم إعتماده فوق طبقات السيليكون ولكن بشكل أدق بملايين المرات. حيث يتم وضع مادة قابلة للتصلب بالضوء تعرف باسم ال Photoresist يتم وضعها على كامل رقاقة السيليكون ومن ثم استخدام شعاع ضوئي لتثبيت هذه المادة بحيث يتم تشكيل القالب وباقي هذه المادة يبقى سائلاً لا يتصلب لأنه لم يتعرض للضوء ويتم غسله بعيداً بعمليات أخرى،. ثم توضع هذه الرقائق في حجرات مفرغة من الهواء ليتم ترسيب طبقات من المعادن عليها باستخدام تقنيات متطورة جداً مثل ترسيب الابخرة بالطريقة الكيميائية او الفيزيائية Chemical Vapor Deposition , Physical Vapor Deposition .

المنتج النهائي

يتم تقطع رقائق السيليكون باستخدام مناشير دقيقة جداً لإنتاج معالج متكامل كأنه عالم يحتوي على جميع الخدمات الخاصة به، وهذه العملية تعتمد على استخدام المنتج هل يستخدم للمعالجة الحاسوبية أو لإنتاج الطاقة أو الاستشعار وغيرها.

في النهاية

السيليكون عنصر جميل لديه العديد والعديد من الخصائص وحتى الأن لايوجد بديل كامل له، تقوم العديد من الدراسات من سنوات طويلة لمحاولة إيجاد عناصر بديلة تحل محل السيليكون في استخداماته مثل الجرافين، ولكن يوجد العديد من التحديات التقنية في تحويل هذه التقنيات إلى منتجات واقعية تستطيع نقل التكنولوجيا الحالية إلى مستوى جديد من السرعة والدقة و قلة استهلاك الطاقة.