رسوم توضيحية: مختبر البصريات
إذا كنت ترغب في الحصول على إحساس بالنطاق العالمي الحقيقي لصناعة الإلكترونيات، فلا تبحث بعيدًا عن هاتفك الذكي. المعالج الذي يشغله بدأ كحجر متواضع، وبحلول الوقت الذي وصل فيه إلى جهازك، ربما يكون قد شهد المزيد من العالم مما شهدته أنت. على طول الطريق، خضع لبعض من أكثر العمليات التكنولوجية تعقيدًا وحراسة على هذا الكوكب. انضم إلينا بينما نتتبع تلك الرحلة المذهلة التي تمتد لأكثر من 30,000 كيلومتر.
1. الكوارتز
بدأ معالج هاتفك الذكي رحلته في الزاوية الشمالية الغربية من إسبانيا، في منجم سيرابال، وهو منجم كوارتز بالقرب من مدينة سانتياغو دي كومبوستيلا. الكوارتز – أو بشكل أكثر دقة، ثاني أكسيد السيليكون أو السيليكا – هو المكون الرئيسي للرمل. لكن في سيرابال يمكن أن يأتي في قطع ضخمة بعرض ضعف عرض الهاتف الذكي. تدير شركة فيروغلوبي نظامًا آليًا لفرز السيليكا حسب الحجم. بعد غسل ومعالجة القطع، تتوجه الكبيرة منها إلى الساحل الأطلسي للخطوة التالية في الرحلة.
2. معدن السيليكون
بعد ساعة بالشاحنة، تصل كتل الكوارتز الصغيرة إلى مصنع فيروغلوبي في سابون، والذي يمتد على 125,000 متر مربع في مقاطعة لا كورونيا الساحلية. هنا سيتم خلط الكوارتز مع رقائق الخشب المجففة وتسخينه إلى 1,500 إلى 2,000 درجة مئوية في ثلاثة أفران كهربائية قوسية تستخدم أقطابًا ضخمة تم اختراعها في هذا المصنع في التسعينيات. داخل الفرن، تحدث تفاعل يمزق الأكسجين من السيليكا ويلصقه بالكربون من الخشب. النتيجة هي معدن السيليكون وأول أكسيد الكربون.
3. بولي سيليكون المنقى
معدن السيليكون الناتج يحتوي على نقاء حوالي 98 بالمئة، وهذا ليس كافيًا. سيحتاج إلى أن يكون نقاءه على الأقل 99.9999999 بالمئة ليصبح معالجًا دقيقًا، مما سيتطلب بعض الكيمياء القوية. لذا، يتوجه إلى واكر كيمي، في بورغهاوزن، ألمانيا. هنا، يخضع المعدن لما يسمى بعملية سيمنز: يتم غمره في حمض الهيدروكلوريك ويتفاعل لتكوين غاز الهيدروجين وسائل تسمى ثلاثي كلوروسيلان. أي شوائب ستكون في السائل، والذي يتم تمريره بعد ذلك عبر عملية تقطير متعددة الخطوات تفصل ثلاثي كلوروسيلان النقي عن أي شيء غير مرغوب فيه. بمجرد الوصول إلى النقاء المطلوب، يتم عكس التفاعل: عند 1,150 درجة مئوية، يتم تفاعل ثلاثي كلوروسيلان مع الهيدروجين لإيداع بلورات متعددة من السيليكون، تسمى بولي سيليكون، ويتم سحب غاز حمض الهيدروكلوريك الناتج بعيدًا. يتشكل البولي سيليكون على شكل قضبان سميكة حول عناصر التسخين. بمجرد أن يبرد ويُزال من غرفة التفاعل، يتم سحق البولي سيليكون لشحنه.
4. رقائق السيليكون
يتكون السيليكون النقي للغاية من العديد من البلورات في اتجاهات مختلفة. ولكن يجب أن تصنع المعالجات الدقيقة من بلورة واحدة. لذا قد ينتقل المادة إلى شيرمان، تكساس، حيث افتتحت شركة جلوبال ويفرز مؤخرًا مصنعًا لرقائق السيليكون بقيمة 3.5 مليار دولار. هنا يتم تمرير البولي سيليكون عبر ما يسمى بطريقة تشوكرالسكي (Cz). في وعاء من الكوارتز عالي النقاء، يتم تسخين البولي سيليكون إلى حوالي 1,425 درجة مئوية ويذوب. ثم يتم غمر بلورة بذور ذات اتجاه بلوري دقيق في الذوبان، وسحبها ببطء لأعلى، وتدويرها. إذا تم القيام بكل ذلك بدقة، ستسحب عمودًا من السيليكون النقي البلوري بقطر 300 ملليمتر وارتفاع عدة أمتار. ثم تقوم مناشير متخصصة بتقطيع هذا العمود من النقاء شبه الموصل إلى رقائق أقل من 1 ملليمتر سمكًا. يتم تنظيف الرقائق، وتلميعها، وأحيانًا معالجتها بشكل إضافي، قبل التوجه إلى مصانع الرقائق.
5. الرقائق المعالجة
الآن تتوجه إلى تاينان، في جنوب تايوان، حيث سيحول مصنع TSMC 18 هذه الرقائق إلى أحدث معالجات الهواتف الذكية. إنها عملية معقدة للغاية، تتضمن بعض من أكثر المعدات تعقيدًا وتكلفة على هذا الكوكب، بما في ذلك أنظمة الطباعة بالأشعة فوق البنفسجية المتطرفة التي يمكن أن تكلف أكثر من 300 مليون دولار لكل منها. في مصنع 18، ستخضع كل رقاقة لشهور من التعذيب الدقيق لإنتاج الترانزستورات والأسلاك التي تشكل المعالجات. ستقوم الأشعة فوق البنفسجية المتطرفة بطباعة أنماط عليها، وستقوم الأيونات الساخنة بالاندفاع نحو سطحها، وستقوم تفاعلات كيميائية دقيقة ببناء بعض الأجزاء طبقة ذرية تلو الأخرى، وستقوم الأحماض بنقش هياكل بحجم نانومتر، وستقوم المعادن بالتغليف الكهربائي لبعض الأجزاء وتلميعها في أجزاء أخرى. النتيجة: رقاقة مليئة بمعالجات متطابقة.
6. الشرائح المعبأة
على الرغم من أن هذه المعالجات مذهلة، لا يمكنك استخدامها في هذا الشكل. يجب أولاً تعبئتها. بالنسبة لسيليكوننا، سيحدث ذلك في منشأة ASE في بينانغ، ماليزيا. توفر العبوة للرقاقة حماية ميكانيكية، ووسيلة لإزالة الحرارة، وطريقة لتوصيل الأجزاء الدقيقة للرقاقة بأجزاء اللوحة الدائرة ذات الحجم المليمتر. للقيام بذلك، يتم أولاً تقطيع الرقائق إلى شرائح. ثم يتم توصيل كرات صغيرة من اللحام، بعضها فقط بعشرات الميكرومترات عبر، بالشرائح. يتم محاذاة كرات اللحام مع الأجزاء المقابلة للعبوة، ويتم إذابة الجزئين معًا. أصبح من الشائع أكثر دمج عدة قطع من السيليكون داخل نفس العبوة، إما مكدسة فوق بعضها البعض أو موضوعة بجانب بعضها البعض على قطعة سيليكون منفصلة تسمى إنتر بوسر. تتبع خطوات أخرى للعملية، والجزء المعبأ الآن جاهز لخطوته التالية.
التجارة العالمية
في عام 2023، شكلت الإلكترونيات خُمس قيمة التجارة العالمية.
شكر خاص: استلهمت هذه الرحلة من فصل في كتاب إد كونواي عالم المواد: المواد الخام الستة التي تشكل الحضارة الحديثة (ألفريد أ. كنوف، 2023).
يظهر هذا المقال في عدد أكتوبر 2025 المطبوعة بعنوان “من السيليكا إلى الهاتف الذكي”.
