تكنولوجيا الرقائق الزجاجية: التطبيقات والتصنيع والخصائص الرئيسية

ما هي الرقائق الزجاجية وسبب أهميتها؟

رقائق الزجاج هي ركائز رفيعة مصممة بدقة ومصنوعة من مواد زجاجية متخصصة يتراوح سمكها عادةً من 100 ميكرومتر إلى عدة ملليمترات. تعمل هذه الركائز كمنصات أساسية في تصنيع أشباه الموصلات، والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، وأجهزة الموائع الدقيقة، وتطبيقات التغليف المتقدمة. على عكس رقائق السيليكون التقليدية، توفر الرقائق الزجاجية شفافية بصرية فريدة وخصائص عزل كهربائي فائقة واستقرار استثنائي للأبعاد عبر درجات حرارة مختلفة.

العالمية رقاقة زجاجية شهد السوق نموًا كبيرًا، حيث تشير تقارير الصناعة إلى معدل نمو سنوي مركب (CAGR) قدره حوالي 8-10% بين عامي 2020 و2025 . ويعود هذا التوسع إلى زيادة الطلب على المتداخلين في عبوات الدوائر المتكاملة 2.5D و3D، حيث توفر الرقائق الزجاجية مزايا حاسمة في سلامة الإشارة والإدارة الحرارية.

عمليات التصنيع للرقائق الزجاجية

يتضمن إنتاج الرقائق الزجاجية عدة تقنيات تصنيع متطورة، تم تصميم كل منها لتحقيق تفاوتات محددة في الأبعاد ومتطلبات جودة السطح.

عملية رسم الانصهار

تنتج طريقة السحب الاندماجي، التي ابتكرتها شركات مثل كورنينج صفائح زجاجية مسطحة للغاية ذات أسطح نقية عن طريق تدفق الزجاج المنصهر فوق إسفين التشكيل. تلغي هذه العملية الحاجة إلى التلميع على كلا السطحين، مما يحقق تفاوتات تسطيح أقل من 10 ميكرومتر عبر رقائق بقطر 300 مم. تُظهر المادة الناتجة قيم خشونة سطحية أقل من 1 نانومتر RMS، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الطباعة الحجرية الضوئية.

الزجاج المسطح وتلميعه

تمثل عمليات الزجاج المصقول التقليدية التي يتبعها التلميع الكيميائي والميكانيكي (CMP) طريقًا بديلاً للتصنيع. في حين أن هذا الأسلوب يتطلب خطوات معالجة إضافية، فإنه يسمح بمرونة أكبر في تركيب الزجاج ويمكن أن يحقق سماكة موحدة ±5 ميكرومتر عبر ركائز كبيرة الحجم .

القطع بالليزر ومعالجة الحواف

بمجرد تشكيلها، تخضع الألواح الزجاجية للقطع الدقيق أو الكتابة بالليزر لإنشاء رقائق فردية. تضمن تقنيات معالجة الحواف وجود حواف خالية من الرقائق مع زوايا مائلة يمكن التحكم فيها، وهو أمر بالغ الأهمية للمعالجة الآلية في معدات تصنيع أشباه الموصلات. تحقق الأنظمة الحديثة مواصفات جودة الحافة بكثافة عيوب أقل من 0.1 عيوب لكل سنتيمتر خطي.

خصائص المواد وتكوينها

رقائق الزجاج هي engineered from various glass compositions, each offering distinct property profiles for specific applications.

معلمات الأداء الحرجة

• معامل التمدد الحراري (CTE): تعمل مطابقة CTE مع السيليكون (2.6 جزء في المليون/درجة مئوية) على تقليل الضغط أثناء دورات المعالجة الحرارية، مما يمنع الالتواء والتصفيح
• الخصائص الكهربائية: توفر مقاومة الحجم التي تتجاوز 10^14 أوم-سم عزلًا ممتازًا لتوجيه الإشارة عالية التردد
• النقل البصري: تتيح الشفافية التي تزيد عن 90% في الأطوال الموجية المرئية إمكانية المحاذاة من خلال معالجة الركيزة والجانب الخلفي
• المتانة الكيميائية: تضمن مقاومة الأحماض والقواعد والمذيبات العضوية التوافق مع كيمياء معالجة أشباه الموصلات

التطبيقات الرئيسية في الالكترونيات الحديثة

التعبئة والتغليف المتقدمة والوسطاء

ظهرت المتدخلات الزجاجية على أنها تكنولوجيا تغير قواعد اللعبة لتطبيقات الحوسبة عالية الأداء . تستثمر Intel وTSMC وغيرها من المسابك الكبرى بكثافة في تكنولوجيا الركيزة الزجاجية لتكامل الشرائح. يتيح الزجاج منافذ من خلال الزجاج (TGVs) بأقطار صغيرة تصل إلى 10 ميكرومتر وتصل إلى 40 ميكرومتر، مما يحقق كثافة الترابط أعلى 10 مرات من الركائز العضوية .

في معالجات مراكز البيانات، تُظهر المتداخلات الزجاجية انخفاضًا في فقدان الإشارة بنسبة 30-40% تقريبًا مقارنة بالمواد التقليدية عند ترددات أعلى من 50 جيجا هرتز. يُترجم هذا التحسين مباشرةً إلى تحسين كفاءة الطاقة وزيادة عرض النطاق الترددي لمسرعات الذكاء الاصطناعي وواجهات الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي (HBM).

MEMS وأجهزة الاستشعار

توفر الرقائق الزجاجية ركائز مثالية لأجهزة مختبر الموائع الدقيقة وأجهزة استشعار الضغط وأجهزة MEMS الضوئية. التوافق الحيوي للمادة، والخمول الكيميائي، والشفافية البصرية تجعلها ذات قيمة خاصة لتطبيقات التشخيص الطبي. تحدد الشركات التي تصنع رقائق تحليل الدم بشكل روتيني رقائق زجاج البورسليكات تفاوتات تسطيح السطح أقل من 2 ميكرومتر لتغير السماكة الكلية (TTV) .

تقنيات العرض

تستخدم مصفوفات ترانزستور الأغشية الرقيقة (TFT) لشاشات الكريستال السائل (LCD) وألواح OLED ركائز زجاجية كبيرة الحجم، حيث تقوم مصانع الجيل 10.5 بمعالجة صفائح زجاجية بقياس 2940 مم × 3370 مم. حققت الصناعة اقتصاديات ملحوظة، مع انخفاض تكاليف الركيزة إلى أقل من 0.50 دولار للقدم المربع لتطبيقات عرض السلع مع الحفاظ على المواصفات الصارمة للعيوب السطحية والتحكم في الأبعاد.

المزايا على رقائق السيليكون

في حين يظل السيليكون هو الركيزة المهيمنة لأشباه الموصلات، فإن الرقائق الزجاجية توفر مزايا مقنعة لتطبيقات محددة:

1. انخفاض فقدان الإشارة: تتيح قيم ظل فقدان العزل الكهربائي البالغة 0.003-0.005 أداءً فائقًا للترددات الراديوية (RF) في دوائر اتصالات الموجات المليمترية
2. أحجام الركيزة الأكبر: تتدرج تكنولوجيا تصنيع الزجاج بسهولة إلى أشكال مستطيلة مقاس 510 مم × 515 مم، مما يتجاوز الحدود العملية لرقائق السيليكون الدائرية
3. كفاءة التكلفة: بالنسبة لتطبيقات المتدخلين، يمكن أن تكلف الركائز الزجاجية أقل بنسبة 40-60% من حاملات السيليكون المكافئة مع توفير أداء كهربائي مماثل أو أفضل
4. مرونة التصميم: يمكن تشكيل TGVs في الزجاج بنسب عرض إلى ارتفاع أعلى (نسب العمق إلى القطر تتجاوز 10:1) مقارنة بمنافذ السيليكون، مما يتيح تصميمات ثلاثية الأبعاد أكثر إحكاما
5. الوصول البصري: يسمح نقل الضوء بالأشعة تحت الحمراء والمرئية بتقنيات المحاذاة الخلفية والفحص والمعالجة المستحيلة باستخدام السيليكون غير الشفاف

معالجة التحديات والحلول

عبر تقنيات التشكيل

يمثل إنشاء منافذ زجاجية تحديات تقنية فريدة من نوعها. هناك ثلاث طرق أساسية تهيمن على التصنيع الحالي:

• الحفر بالليزر: تعمل أشعة ليزر البيكو ثانية أو الفيمتو ثانية فائقة السرعة على إزالة المواد بأقل قدر من المناطق المتأثرة بالحرارة، مما يحقق معدلات تكوين تتراوح بين 100-500 فيا في الثانية بأقطار تتراوح من 10-100 ميكرومتر
• النقش الرطب: توفر المواد الكيميائية المعتمدة على حمض الهيدروفلوريك نعومة ممتازة للجدار الجانبي لمنافذ أكبر، مع إمكانية التحكم في معدلات الحفر في حدود ±5% عبر دفعات الرقاقة
• النقش الجاف: يوفر النقش الأيوني التفاعلي المعتمد على البلازما أشكالًا متباينة الخواص للتطبيقات التي تتطلب جدرانًا جانبية رأسية، على الرغم من أن الإنتاجية تظل أقل من طرق الليزر

المعدنة والترابط

يتطلب ترسيب الطبقات الموصلة على الزجاج تحسينًا دقيقًا للعملية. يؤدي ترسيب البخار الفيزيائي (PVD) لطبقات التصاق التيتانيوم أو الكروم متبوعة بترسيب بذور النحاس إلى تمكين الطلاء الكهربائي اللاحق لملء TGVs. تحقيق المرافق المتقدمة عبر عوائد التعبئة تتجاوز 99.5٪ بمقاومات كهربائية أقل من 50 ملي أوم لكل عبر .

تشتمل تقنيات ربط الرقاقات المُكيَّفة للزجاج على الربط الأنودي، والربط الاندماجي، والربط اللاصق، وكل منها يناسب الميزانية الحرارية المختلفة ومتطلبات الإحكام. يحقق الترابط الأنودي لزجاج البورسليكات مع السيليكون قوة رابطة تتجاوز 20 ميجا باسكال مع كثافة فراغ واجهة أقل من 0.01%.

توقعات الصناعة والتطورات المستقبلية

تقف صناعة الرقائق الزجاجية عند نقطة انعطاف مدفوعة بالعديد من الاتجاهات المتقاربة. إعلان إنتل عن ركائز زجاجية للتغليف المتقدم، تستهدف التنفيذ في الإطار الزمني 2030 لمعالجات الجيل القادم ، يؤكد سنوات من الاستثمار في البحث والتطوير.

يتوقع محللو السوق أن يستهلك قطاع التغليف المتقدم وحده رقائق زجاجية تقدر قيمتها بأكثر من 2 مليار دولار سنويًا بحلول عام 2028. وينبع هذا النمو من الطلب النهم على أداء الحوسبة في الذكاء الاصطناعي، والمركبات ذاتية القيادة، وتطبيقات الحوسبة المتطورة حيث تصبح المزايا الكهربائية للزجاج ذات أهمية متزايدة.

التطبيقات الناشئة

• التكامل الضوئيات: تتيح الرقائق الزجاجية المزودة بأدلة موجية ضوئية مدمجة التعبئة المشتركة للدوائر الضوئية والإلكترونية للتوصيلات الضوئية التي تعمل بمعدلات بيانات تيرابت في الثانية
• الحوسبة الكمومية: إن فقدان العزل الكهربائي المنخفض والاستقرار الحراري للنظارات المتخصصة يجعلها ركائز جذابة لمصفوفات الكيوبت فائقة التوصيل
• الالكترونيات المرنة: توفر الرقائق الزجاجية فائقة الرقة (التي يصل سمكها إلى 30 ميكرومترًا) ركائز مرنة ميكانيكيًا لكنها قوية كيميائيًا لشاشات العرض القابلة للانحناء وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء

تعمل جهود التقييس من خلال منظمات مثل SEMI على وضع مواصفات لأبعاد الرقائق الزجاجية، وتفاوتات التسطيح، وخصائص المواد. ستعمل هذه المعايير على تسريع اعتمادها من خلال تقليل المخاطر الفنية وتمكين سلاسل التوريد متعددة المصادر للتصنيع بكميات كبيرة.