🌟 نحن جميعًا مصنوعون من مادة النجوم، كما كان عالم الفلك الشهير كارل ساغان 🔭 يُذكّرنا دائمًا بذلك. انفجارات السوبرنوفا، تلك الكوارث الكونية التي تُمثّل نهاية بعض النجوم، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالحياة على الأرض. ففي رحلتها الكونية المُذهلة، تُنتج هذه الانفجارات العناصر الثقيلة في الكون. حتى الحديد في دمنا 🩸 والكبريت في الأحماض الأمينية لدينا، نشأ في نجوم انفجرت قبل مليارات السنين! 🤯
ولكن، هل تعلم أن هناك رابطًا مُدهشًا بين السوبرنوفا وتقنياتنا الحديثة؟ تحديدًا، بالتكنولوجيا اللازمة لصنع رقائق الكمبيوتر 💻 في هواتفنا الذكية 📱 وأجهزتنا الإلكترونية الأخرى!
ظهر هذا الارتباط المذهل في محادثات بيني، وجايسون ستيوارت، وجدي رودولف شولتز. كان جدي هواةً متحمسًا لعلم الفلك 🔭، وكان يحفظ تلسكوبًا عاكسًا كبيرًا في مدخل منزله، بالقرب من المدخل، جاهزًا للانتشار السريع. كما أنني تعلمتُ من جدي حبًا دائمًا فيزياء، عندما أعطاني نسخةً من كتاب ستيفن هوكينغ *تاريخٌ موجزٌ للزمن*، وذلك في المدرسة الثانوية.
ضربةٌ ليزر مزدوجة تصيب قطرةً من القصدير في آلة التصوير لدى شركة ASML. تضرب الضربة الأولى القطرة مسطحةً على شكل قرص؛ تضرب الضربة الثانية القطرة مُبخرةً إياها إلى كرةٍ من البلازما الحارة المنبعثة من الأشعة فوق البنفسجية. ASML
كنت أُحدث جدي عن العمل الذي أقوم به في مختبري في شركة ASML، المُصنِّعة لمعدات تصنيع رقائق أشباه الموصلات. كنت أساعد في تحسين نظام تصنيع الرقائق باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV). كانت تقنية تصوير EUV صعبةً وقيد التطوير، لكنها أساسية اليوم في صناعة الرقائق الدقيقة.
ولإنتاج ضوء EUV، كنا نركز نبضةً ليزريةً مكثفةً على قطراتٍ من القصدير تتحرك عبر غرفة مليئة بغاز الهيدروجين. حولت الطاقة من الليزر القطرات إلى كراتٍ من البلازما الحارة، مما أدى إلى إصدار القصدير إشعاعًا فوق بنفسجيًا قويًا. أنتجت كرات البلازما موجات صدمة سافرت عبر الهيدروجين.
تذكرتُ دروسَ علم الفلك مع جدي، وأدركتُ أنَّ العديد من جوانب عملية إنتاج ضوء EUV تشبه ما يحدث خلال المستعر الأعظم: انفجارٌ مفاجئ، سحابةٌ متوسّعة من حطام البلازما، وموجةٌ صادمةٌ تصطدم ببيئةٍ رقيقة من الهيدروجين. لِتحسين تصميمنا EUV، سنقوم بتسجيل تطور موجة الصدمة من كرات البلازما الخاصة بنا.
للأسف، جدي ليس هنا ليشهد إتمام مقالنا. لكنه عاش ليشهد هذه المتوازيات الفلكية تُؤدي إلى عواقب عملية هامة: فقد ساعدت مجموعتي في ASML على إنتاج مصدر ضوء EUV ساطع وموثوق، مما أدى إلى تقدمٍ كبير في صناعة الرقائق التجارية.
EUV وقانون مور
بدأت رحلتي في عالم النجوم المُدمّرة المُصغّرة EUV في عام 2012. أثار صديقٌ اهتمامي بإمكانيات العمل في صناعة أشباه الموصلات، حيث تُشرف المُصَنِّعون على منافسة مستمرة لبناء دوائر أصغر وأسرع. تعلمت أن عملية الطباعة الضوئية المستخدمة لإنشاء الميزات على رقائق الحاسوب كانت في نقطة حرجة، نقطة تُمثّل تحديات هندسية.
في الطباعة الضوئية، يُستخدم الضوء لطباعة نمط معقد على ركيزة السيليكون. يُحدد طول موجة الضوء حجم الميزات المُنتَجة. كانت موجات الأشعة فوق البنفسجية المستخدمة في ذلك الوقت طويلة جدًا للأجيال القادمة من الرقائق. لذلك، نحتاج إلى ضوءٍ أقصر وأكثر نشاطًا.
في ذلك الوقت، كانت مصادر ضوء EUV ضعيفة للغاية. كانت مهمة زيادة هذه الطاقة مهمة صعبة. اقترح العديد من الخبراء أن هذه التكنولوجيا لن تتحول قط إلى منتج تجاري. ولكن دانيال براون، نائب رئيس تطوير التكنولوجيا في شركة ASML، رأى أن أشعة EUV هي أفضل طريقة لتحقيق القفزة الكبيرة التالية في أداء رقائق الكمبيوتر.
لقد تمكن مصنعو الدوائر المتكاملة من مضاعفة عدد الترانزستورات كل بضع سنوات – وهذا هو قانون مور. وقد تمكنوا من ذلك عن طريق تقليل طول موجة الضوء.
استخدمت أنظمة الطباعة الضوئية مصابيح الزئبق، ثم الليزر، ثم وصلنا إلى طول الموجة المطلوبة، 13.5 نانومتر، والذي يتطلب مصدرًا بدرجة حرارة عالية للغاية (حوالي ٢٠٠,٠٠٠ درجة مئوية).
في شركة ASML، استخدمنا بلازما القصدير الساخنة كأفضل طريقة لإنشاء مُصباح ضوء EUV. كان السؤال الكبير هو كيف نُنشِئُ بلازما القصدير بثباتٍ؟
صممنا نظامًا يُشبه نظام روب غولدبرغ، حيث يتم توجيه قطرة من القصدير المنصهرة بواسطة شعاعين ليزريين.
يُتطلب ليزر رئيسي بقدرة عدة عشرات من الكيلوواط، يُصيب حوالي ٥٠،٠٠٠ قطرة من القصدير كل ثانية.
بمعدل 50,000 قطرة في الثانية، يمكن لكل من آلات الليثوجراف لدينا توليد ما يقرب من تريليون نبضة في السنة.
الهيدروجين في الأشعة فوق البنفسجية المُتناهية الصغر وفي الفضاء
تيار مستمر من غاز الهيدروجين منخفض الكثافة يحمي المرآة والسفينة المحيطة من رذاذ بخار القصدير المُطْرَق. تشبه تلك الموجة ما يحدث عندما تتوسّع انفجار سوبرنوفا في الهيدروجين الخفيف.
وجد زملائي وأنا في شركة أسمل طريقة فعالة لقياس طاقة انفجارات القصدير، من خلال مراقبة استجابة غاز الهيدروجين.
فحصت الكرات الحمراء باستخدام كاميرا CCD مُكثفة فائقة السرعة. كانت الصور التي التقطتها مذهلة.
بمحض الصدفة، حضرت ندوةً ذُكر فيها موجات الانفجار.
استخدم علماء الفلك المعادلات التي استخدمها علماء الفيزياء النووية لفهم بقايا السوبرنوفا. واحدة من تعبيرات تلك المعادلات، المسماة بصيغة تايلور-فون نيومان-سيدوف، تصف نصف قطر الصدمة كدالة للوقت.
تطبيق صيغة تايلور-فون نويمين-سيدوف على صور H-ألفا التي سجلناها في مصدر الضوء ASML أدى إلى اتفاقٍ مُرضٍ بين طاقاتنا المحسوبة والكميات التي قمنا بتقديرها تقريبًا بوسائل أخرى.
ساعدتنا نتائجنا على تحسين نماذجنا وتحديد أفضل طريقة لتكيّف بيئة الهيدروجين في آلاتنا لتمكين مصدر EUV نظيف ومستقر لتصنيع رقائق أشباه الموصلات.
إلى النجوم عبر الصعاب
الصلة بين السوبرنوفا و بلازما المُنتَجة بالليزر هي مثالٌ واحدٌ فقط على تاريخٍ طويلٍ من التطورات في الفيزياء والهندسة التي استوحيت من علم الفلك. لقرونٍ، صمم الباحثون تجاربٍ لإعادة خلق ما لوحظ في السماء.
انتقلت حركة انتشار الأفكار في الاتجاه الآخر أيضًا. وبينما تميزت قواعد الفيزياء الذرية وخطوط امتصاص الغازات في التجارب المخبرية، استخدم علماء الفلك الملاحظات الطيفية لتحديد تركيب الشمس، واستنتاج دورات حياة النجوم.
أجد من المثير للاهتمام أن البلازما الناتجة عن الليزر التي نستخدمها في مصدر ضوء EUV تشبه بشكل خاص نوعًا معينًا من المستعرات العظمى.
في مصادرنا الخاصة بتقنية EUV، نهدف كذلك إلى جعل جميع الانفجارات متطابقة.
تم تحديث هذه المقالة في 5 مارس 2025.