طريقة جديدة لطحن الماس تجعل إنتاج رقائق الياقوت أسرع وأكثر أمانا
© Sputnik . Basel Shartouh
تابعنا عبر
قام مهندسون في معهد أبحاث وتطوير أشباه الموصلات بجامعة ريتشموند بتحسين عملية تصنيع الياقوت أحادي البلورة باستخدام أدوات ماسية ملحومة بأحجام حبيبات مختلفة.
تزيل هذه العملية الجديدة المادة أسرع بعدة مرات من الطحن التقليدي، وتقلل من تلف الطبقات السطحية، ويمكنها تقصير مرحلة التلميع النهائية المكلفة اللازمة لإنتاج رقائق لمصابيح LED، وثنائيات الليزر، وإلكترونيات الميكروويف.
ما أهمية الياقوت لصناعة أشباه الموصلات؟
يُعد الياقوت أحادي البلورة مادة ذات أهمية استراتيجية، حيث يُستخدم كركيزة يبني عليها المصنّعون هياكل أشباه موصلات متطورة.
يتميز الياقوت بشفافيته عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية، من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء، ومقاومته الكيميائية، وقدرته على تحمل درجات حرارة تصل إلى حوالي 2040 درجة مئوية. تُضفي هذه الخصائص على الياقوت فائدةً كبيرةً في الثنائيات الباعثة للضوء، وثنائيات الليزر، والمكونات البصرية، والأجهزة الإلكترونية المعقدة التي تعمل بترددات الميكروويف.
الركيزة هي رقاقة رقيقة داعمة تُشكّل عليها الطبقات الفعّالة للجهاز الإلكتروني أو البصري، ويجب أن يكون سطحها مستويًا وناعمًا للغاية، لأنّه حتى العيوب المجهرية قد تؤثر على جودة وموثوقية وأداء الطبقات المُرَسَّبة فوقها.
يتمتع الياقوت بخصائص فيزيائية ممتازة، ولكنه في الوقت نفسه صعب المعالجة للغاية، حيث تبلغ صلابته تسعة على مقياس موس - أي أقل بقليل من صلابة الماس - ولكنه يبقى هشًا بما يكفي لتكوّن الشقوق عند تعرّضه لقوى غير مناسبة.
لماذا يُلحق الطحن التقليدي الضرر بالمادة؟
يستخدم الطحن التقليدي للياقوت عادةً مادة "كاشطة حرة"، وهي جزيئات ماس سائبة مُعلّقة في سائل وتُحرَّك على سطح الرقاقة. على الرغم من أن هذه الجزيئات تُزيل المادة، إلا أن اصطداماتها المتكررة قد تُلحق الضرر بما هو أسفل السطح المرئي، وبحسب الباحثين، قد تُخلّف عمليات المعالجة التقليدية طبقةً تحت سطحية متشققة بعمق يتراوح بين 80 و120 ميكرومترًا، فضلًا عن خشونة سطحية ملحوظة.
يُعدّ هذا التلف الخفي خطيرًا للغاية في الرقاقات التي يقلّ سمكها عن 200 ميكرومتر، إذ تُقلّل الشقوق المجهرية من المتانة الميكانيكية والتوصيل الحراري، ما يزيد من احتمالية انكسار الرقاقة خلال مراحل التصنيع اللاحقة.
لذا، يجب إزالة الطبقة المتضررة عبر عملية تلميع دقيقة طويلة ومكلفة، وكلما ازداد عمق الشقوق، زادت كمية المواد والوقت والمواد الكاشطة اللازمة قبل أن تصبح الرقاقة مناسبة للإلكترونيات الدقيقة.
الماس المُلصق يُغيّر طريقة إزالة الياقوت
استبدل مهندسو معهد أبحاث الطاقة المتجددة جزيئات الكشط السائبة بأداة من الماس المُلصق. في هذا التصميم، تُثبّت حبيبات الماس بإحكام داخل مصفوفة داعمة مُصممة خصيصًا، بدلًا من أن تتحرك بحرية في سائل.
يُغيّر تثبيت الحبيبات طريقة عمل الأداة على الياقوت، بدلاً من توليد قوى صدمية موجهة بشكل أساسي إلى داخل المادة، تعمل حبيبات الماس المدمجة على تعزيز القص المتحكم به والقطع المجهري عبر السطح. هذا التمييز مهم، فالقوة الموجهة بعمق داخل بلورة هشة قد تُسبب تشققات، بينما يُمكن للقطع الجانبي المتحكم به إزالة طبقة سطحية رقيقة مع الحد من الضرر أسفلها.
أفاد الباحثون أن استخدام الأدوات المدمجة قلل من عمق الطبقة المتشققة بنسبة تتراوح بين 30 و40% تقريبًا، كما خفض استهلاك المواد الكاشطة.
حبيبات الماس المختلفة تؤدي مهامًا مختلفة
لا يُمكن لأداة تجليخ واحدة أن تُوفر أسرع إزالة للمادة وأكثر سطح نهائي نعومة في آن واحد. تقطع حبيبات الماس الكبيرة بسرعة ولكنها تترك عادةً آثارًا أعمق، بينما تُنتج الحبيبات الدقيقة سطحًا نهائيًا أكثر نعومة ولكن ببطء.لذلك، قيّم الباحثون أدوات تحتوي على أحجام مختلفة من حبيبات الماس ومواد لاصقة متنوعة.
في التجليخ الخشن، كانت أفضل النتائج من نصيب أداة مُثبتة حراريًا ذات حبيبات كبيرة نسبيًا. أزالت هذه التقنية الياقوت أسرع بنحو 6.5 مرات من الطرق التقليدية، مما يجعلها مناسبة لتقريب الرقاقة بسرعة إلى السماكة المطلوبة.
أما في مرحلة التشطيب، فقد أظهرت أداة تحتوي على إضافات من الجرافيت أداءً أفضل، وساعد الجرافيت في نقل الحرارة بعيدًا عن منطقة القطع، مما قلل من الإجهاد الحراري الذي قد يتولد عند طحن مادة شديدة الصلابة بسرعة عالية.
27 سبتمبر 2025, 10:01 GMT
عملية ثلاثية المراحل توازن بين السرعة والدقة
تستخدم دورة التصنيع المقترحة ثلاث مراحل طحن، حيث يتناقص حجم حبيبات الماس تدريجيًا في كل مرحلة، تزيل المرحلة الأولى المادة بسرعة، بينما تعمل المراحل اللاحقة على إزالة العلامات والأضرار التي خلفتها الأداة السابقة تدريجيًا. يتيح هذا التسلسل للمصنعين الجمع بين إنتاجية الطحن الخشن ودقة التشطيب الدقيق.
باستخدام هذا النهج، حقق الباحثون خشونة سطح مجهرية أقل من 0.07 ميكرومتر، مع الحفاظ على معدل معالجة أعلى بكثير من الطرق التقليدية.
تُشير خشونة السطح إلى ارتفاع النتوءات والوديان المجهرية المتبقية بعد عملية التصنيع. قيمة 0.07 ميكرومتر تُعادل 70 نانومترًا، وهي أصغر بكثير من سُمك شعرة الإنسان، وتُوفر سطحًا أوليًا أفضل بكثير للتلميع النهائي وتصنيع أشباه الموصلات.
أهمية تقليل الطبقة التالفة
لا يكفي سطح علوي أملس إذا بقيت شقوق تحته، يُمكن أن تنتشر العيوب تحت السطحية عند تسخين الرقاقة أو طلائها أو حفرها أو معالجتها ميكانيكيًا خلال مراحل الإنتاج اللاحقة. لذا، يُمكن أن يُحسّن تقليل هذه الطبقة التالفة من قوة مكونات الياقوت الرقيقة، ويُقلل من خطر الكسر، ويزيد من نسبة الرقاقات التي تُكمل عملية التصنيع بنجاح.
قد تُساهم هذه التقنية أيضًا في تقصير مدة التلميع النهائي نظرًا لانخفاض كمية المواد المعيبة التي يجب إزالتها، وبالنسبة للصناعة، قد يعني هذا انخفاض تكاليف الإنتاج، وتقليل استهلاك المواد الكاشطة، وتقصير أوقات المعالجة، وتقليل عدد الرقاقات المرفوضة.
تُعدّ هذه المزايا ذات أهمية خاصة في مجال الإلكترونيات الدقيقة الحديثة للموجات الميكروية، حيث قد يتطلب الأمر استخدام صفائح من الياقوت بسماكة أقل من 200 ميكرومتر، وقد تؤدي حتى الشقوق الصغيرة إلى فشل العملية أثناء مراحل التصنيع اللاحقة.
أين يُمكن استخدام هذه التقنية؟
صُممت هذه الطريقة للشركات المُصنّعة لركائز أشباه الموصلات، والمكونات البصرية الدقيقة، والأجهزة المبنية على رقائق الياقوت.
يُمكن أن يُساهم تحسين عمليات تصنيع الياقوت في دعم إنتاج:
الثنائيات الباعثة للضوء وثنائيات الليزر.
الدوائر الإلكترونية عالية التردد والموجات الميكروية.
النوافذ والمكونات البصرية المقاومة للحرارة؟
الركائز الرقيقة عالية المتانة للأجهزة المتطورة.
تُظهر النتائج الحالية تحسّنًا في عملية التصنيع، ولكن سيتطلب الأمر مزيدًا من التقييم الصناعي لتحديد عمر الأداة على المدى الطويل، وتكلفة الإنتاج، والأداء على المعدات التجارية واسعة النطاق.
