مقالات الموقع — في هذا المقال ستجد شرحًا شاملًا حول Veeco وimec تطوران مع أهم النقاط والنصائح.
أعلنت شركتا Veeco و imec عن تطوير عملية صناعية متوافقة مع تصنيع رقائق 300 ملم تسمح بدمج مادة باريوم تيتانات (BaTiO3) على منصة فوتونيات السيليكون. وتتميز هذه المادة بخصائص كهرضوئية متفردة تفتح آفاقًا أمام تطبيقات عالية السرعة ومنخفضة استهلاك الطاقة، تشمل مستقبلات الإشارة الضوئية، الحوسبة الكمومية، الليدار، وتقنيات الواقع المعزز والافتراضي.
تستخدم العملية تقنية النمو بواسطة شعاع جزيئي (MBE) متقدمة، التي تحسنت لتصبح مناسبة للإنتاج الضخم مع انخفاض التكاليف وتحسين الاستقرار مقارنة بالطرق التقليدية. هذا التطور يعزز آفاق تصنيعية للمكونات الضوئية إلكترونية المستقبلية بدقة وموثوقية عالية.
🔧 خلفية تقنية: دمج باريوم تيتانات في فوتونيات السيليكون
تمثل فوتونيات السيليكون منصة تقنية ثورية في ميكانيكا الطاقة الحرارية والأنظمة الكهربائية الحرارية، حيث يُستخدم السيليكون كوسط لنقل ومعالجة الضوء بدلًا من الإلكترونيات التقليدية. لكن فوتونيات السيليكون تواجه تحديات في إضافة خواص كهرضوئية متطورة لتفعيل مكونات عالية الأداء.
تتمتع مادة باريوم تيتانات بخصائص استقطابية كهربائية وبصرية متميزة، تجعلها مثالية لتصنيع معدِلات الضوء (optical modulators) بسرعة عالية وباستهلاك طاقة منخفض. إلا أن دمجها في الرقائق السيليكونية كان معقدًا بسبب اختلافات في البنية البلورية ومتطلبات التصنيع.
تأتي تقنية النمو بواسطة شعاع جزيئي (MBE) كحل دقيق لإنتاج طبقات باريوم تيتانات أحادية البلورية تتحكم في خواصها وتسمح بتكاملها على رقائق السيليكون بمقياس 300 ملم المستخدم في الصناعة الحديثة.
🔥 خصائص النظام الجديد وتقنيات النمو
النظام الجديد الذي تم تطويره من قِبَل Veeco هو أول نظام تبنّي تقنية MBE بنظام عنقودي مناسب لصناعة 300 ملم، قادر على تنمية طبقات باريوم تيتانات أحادية البلورية على سيليكون مع وجود خيارين:
- النمو باستخدام شعاع جزيئي صلب (solid MBE)
- النمو الهجين الذي يجمع بين تقنيات مختلفة لتعزيز الجودة (hybrid MBE)
تسمح هذه التقنيات بالتكرارية العالية في الأداء وتقليل التكلفة مقارنةً بالطرق الكلاسيكية. يشتمل تطوير النظام على تقنيات متقدمة في التحكم بدرجة الحرارة والتراكم الشعاعي لضبط البلوريا، ما يقلل العيوب ويحسّن التوافقية مع السيليكون.
كما يتضمن النظام التحقق المستمر عبر تقنيات تصوير ميكروسكوبية متقدمة كـTransmission Electron Microscopy وAtomic Force Microscopy لقياس جودة الطبقات والمصفوفات البلورية، ما يضمن استقرار التشغيل في التطبيقات الصناعية.
🏭 التطبيقات الصناعية والتوجهات المستقبلية
سوق المستقبلات الضوئية (optical transceivers) المزودة بتقنيات مبتكرة يتوقع نموه من 2.9 مليار دولار في 2024 إلى 13.1 مليار دولار بحلول 2030. ويرجع هذا النمو إلى الطلب المتزايد على أنظمة نقل بيانات أسرع وكفاءة طاقة أعلى.
التحديات الحالية في معدلات ضوء السيليكون تشمل:
- الطاقة: الاستهلاك العالي في تشغيل المعدلات الضوئية
- الأداء: محدودية السرعة وقيمة جهد التشغيل
- الحجم: الحاجة إلى تقليل المساحات المستخدمة على الرقائق
إن دمج باريوم تيتانات في منصات السيليكون يوفر حلاً متكاملاً للنقاط السابقة، حيث أن خصائصه الكهرضوئية تتيح تحقيق معدلات أسرع، طاقة أقل، وأحجام أصغر ترفع كفاءة الأنظمة الشاملة.
نشاط التعاون بين Veeco و imec هو رد عملي على الحاجة الصناعية لمنتجات مصنعة بفعالية تنافسية لمواد كهرضوئية متقدمة، مع إمكانية تطوير جيل جديد من الأجهزة الضوئية في مجالات تشمل الحوسبة الكمومية، أنظمة الليدار، والواقع المعزز والافتراضي.
🚗 الأثر على الهندسة الميكانيكية والطاقة الحرارية
يقع هذا التطور عند تقاطع عدة تخصصات ضمن الهندسة الميكانيكية، منها: التحكم المناخي الدقيق للأنظمة الضوئية، إدارة الطاقة الحرارية الناتجة عن تشغيل المكونات الكهرضوئية (electro-optical components)، وتقنيات التصنيع الميكانيكي الدقيق لرقائق السيليكون.
من أبرز التحديات الهندسية هو الحفاظ على استقرار البنية البلورية وتحسين انتقال الحرارة لتفادي تأثيرات الأداء الحراري على سرعات الإستجابة. استخدام نظام Veeco الحديث يساهم في تحسين الاعتمادية وتقليل الخسائر الحرارية عبر ضبط ظروف النمو بدقة متناهية.
كما يعزز النظام من إمكانية دمج الوظائف متعددة المجالات داخل رقاقة واحدة، وهو ما يمثل خطوة نحو أتمتة ميكانيكية وتصنيعية متقدمة مرتبطة بالتصنيع الصناعي عالي الجودة والدقة.
📈 توقعات التطوير والابتكار الصناعي
يرى الخبراء أن نجاح عملية النمو الجديدة عبر نظام MBE سيفتح الباب أمام:
- تصنيع فوتونيات سيليكون عالية الأداء في نطاقات الجهد المنخفض والطاقة المنخفضة
- تسريع تطوير تقنيات الحوسبة الكمومية بإضافة مكونات كهرضوئية متقدمة
- تطوير أنظمة استشعار ليدار ومستشعرات بصرية لمجالات السيارات والطيران
- دفع تقنيات الواقع المعزز والافتراضي نحو تحسين جودة الإشارات وسرعة المعالجة
هذا كله يجمع بين الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد والأنظمة الحرارية، مما يعكس اتجاهًا مركزيًا نحو دمج متقدم لمكونات دقيقة قابلة للتصنيع التجاري.
⚙️ خاتمة
إن تطوير عملية متوافقة مع تصنيع رقائق 300 ملم باستخدام نمو شعاع جزيئي MBE لدمج باريوم تيتانات على السيليكون يمثل قفزة نوعية في مجال الهندسة الميكانيكية والتصنيع الدقيق.
يبشر هذا التطور بظهور مكونات فوتونية ذات أداء عالي، طاقة قليلة، وحجم صغير، متى ما تم اعتمادها تجارياً ستؤثر إحداثياً في الصناعات المرتبطة بنقل البيانات، الحوسبة الكمومية، والاستشعار الضوئي.
التركيز على تحسين تقنيات النمو والدمج الميكانيكي للمواد الكهرضوئية يعكس مدى تداخل تخصصات الهندسة الميكانيكية والطاقة الحرارية مع ابتكارات التصنيع الحديثة، مؤكدًا أن المستقبل سيشهد دمجًا أعمق لمواد ووظائف مختلفة على مستوى الرقائق.
