How are microchips made? - George Zaidan and Sajan Saini

المترجم: Hani Eldalees

This is a computer chip, magnified 500 times.

هذه شريحة كمبيوتر، تم تكبيرها 500 مرة.

What you’re looking at is the top of a computing city,

ما تنظر إليه هو الجزء العلوي من مدينة الحوسبة،

with distinct neighborhoods for different functions.

مع أحياء متميزة للوظائف المختلفة.

They’re linked by up to 100 kilometers of ultra-thin copper lines,

وهي مرتبطة بما يصل إلى 100 كيلومتر من الخطوط النحاسية الرقيقة للغاية، والتي

running across 10 or more stacked levels.

تمتد عبر 10 مستويات مكدسة أو أكثر.

At the very bottom, billions of electronic devices

في الجزء السفلي، تولد مليارات اجهزة الالكترونية

generate the digital traffic that pulses across the chip.

حركة المرور الرقمية التي تنبض عبر الشريحة.

The most common of these devices is called a transistor;

يُطلق على أكثر هذه الأجهزة شيوعًا اسم الترانزستور؛

it’s a switch that allows current to flow if it receives a voltage.

إنه مفتاح يسمح للتيار بالتدفق إذا تلقى جهدًا.

Transistors can be as small as 20 nanometers,

يمكن أن يصل حجم الترانزستورات إلى 20 نانومترًا،

and more than 50 billion of them can fit on a single chip.

ويمكن وضع أكثر من 50 مليار منها على شريحة واحدة.

Globally, we produce more than a trillion computer chips every year.

على الصعيد العالمي، ننتج أكثر من تريليون شريحة كمبيوتر كل عام.

That’s about 20 trillion transistors built every second,

يتم بناء حوالي 20 تريليون ترانزستور كل ثانية،

and it’s done in fewer than 500 fabrication plants, known as fabs.

ويتم ذلك في أقل من 500 مصنع تصنيع، تُعرف باسم fabs.

How do we build so many tiny, intricately-connected devices,

كيف يمكننا بناء الكثير من الأجهزة الصغيرة والمتصلة بشكل معقد،

so incredibly fast?

بهذه السرعة المذهلة؟

The answer involves a technology called photolithography,

تتضمن الإجابة تقنية تسمى الليثوغرافيا الضوئية،

which helps us build all the devices on a chip simultaneously.

والتي تساعدنا على بناء جميع الأجهزة على شريحة في وقت واحد.

It’s like constructing all the buildings in a city at the same time.

إنه مثل بناء جميع المباني في المدينة في نفس الوقت.

And with no tiny construction crews to help,

ومع عدم وجود أطقم بناء صغيرة للمساعدة،

we build using light as a measuring and sculpting tool.

فإننا نبني باستخدام الضوء كأداة للقياس والنحت.

The process starts with a wafer of silicon,

تبدأ العملية برقاقة من السيليكون،

which is doused in solvents and acids to strip it clean before entering a furnace.

يتم صبها في المذيبات والأحماض لتنظيفها قبل دخولها الفرن.

Here, oxygen gas reacts with the wafer to form a layer of silicon dioxide.

هنا، يتفاعل غاز الأكسجين مع الرقاقة لتشكيل طبقة من ثاني أكسيد السيليكون.

Then, a liquid called “photoresist” is spun on and baked to harden.

ثم يتم نسج سائل يسمى «مقاوم الضوء» وخبزه حتى يتصلب.

Next, ultraviolet light selectively illuminates the wafer,

بعد ذلك، تضيء الأشعة فوق البنفسجية الرقاقة بشكل انتقائي،

by passing through or reflecting off a specialized mask.

عن طريق المرور عبر قناع متخصص أو الانعكاس عنه.

In the lit areas, a reaction weakens the photoresist’s chemical bonds.

في المناطق المضاءة، يؤدي التفاعل إلى إضعاف الروابط الكيميائية لمقاوم الضوء.

The wafer is doused in another chemical to wash away that weakened photoresist,

يتم صب الرقاقة في مادة كيميائية أخرى لإزالة مقاوم الضوء الضعيف،

leaving an image of the mask.

تاركًا صورة القناع.

And an etching machine’s reactive gases remove the exposed oxide,

وتزيل الغازات التفاعلية لآلة النقش الأكسيد المكشوف،

creating windows that drill the mask’s pattern down to the wafer surface.

مما يخلق نوافذ تحفر نمط القناع وصولاً إلى سطح الرقاقة.

An implanter then accelerates boron or phosphorus ions

تقوم آلة الزرع بعد ذلك بتسريع أيونات البورون أو الفوسفور

and slams them into the patterned openings.

وضربها في الفتحات المنقوشة.

These atoms form electropositive or electronegative regions

تشكل هذه الذرات مناطق حساسة للكهرباء أو كهرسلبية تعمل

that change silicon’s conductivity,

على تغيير موصلية السيليكون،

creating the foundation of the transistor switch.

مما يخلق أساس مفتاح الترانزستور.

The etched oxide windows, however, create hill-and-valley features.

ومع ذلك، فإن نوافذ الأكسيد المحفورة تخلق ميزات التل والوادي.

Before the next level of copper lines are added,

قبل إضافة المستوى التالي من الخطوط النحاسية، يجب صقل

this one’s uneven lines must be polished flat,

الخطوط غير المستوية لهذا الخط بشكل مسطح،

to near-atomic precision, using a sophisticated grinding process

بدقة شبه ذرية، باستخدام عملية طحن متطورة

called chemical mechanical polishing, or CMP.

تسمى التلميع الميكانيكي الكيميائي، أو CMP.

CMP uses a controlled slurry of sub-micron ceramic particles

يستخدم CMP ملاطًا متحكمًا فيه من جزيئات السيراميك التي تقل

to gently scrape and flatten the bumpy features.

عن الميكرون لكشط وتسطيح الميزات الوعرة بلطف.

These fab tools, and many others, are used hundreds of times on a wafer,

تُستخدم هذه الأدوات الرائعة، والعديد من الأدوات الأخرى، مئات المرات على رقاقة،

to create and link transistors into computing logic gates,

لإنشاء الترانزستورات وربطها بالبوابات المنطقية الحاسوبية،

and to make connected neighborhoods for memory storage and computation.

ولإنشاء أحياء متصلة لتخزين الذاكرة والحساب.

Fabs run around the clock,

تعمل Fabs على مدار الساعة،

and it takes about three months to transform a single wafer from pure silicon

ويستغرق الأمر حوالي ثلاثة أشهر لتحويل رقاقة واحدة من السيليكون النقي

into hundreds of chips.

إلى مئات الرقائق.

With this continuous operation,

من خلال هذه العملية المستمرة،

fabs consume huge amounts of electricity, water, solvents, acids, bases,

تستهلك المصانع كميات هائلة من الكهرباء والماء والمذيبات والأحماض والقواعد

process gases, and precious metals.

وغازات المعالجة والمعادن الثمينة.

Wafers are processed in ultra-high purity tool chambers,

تتم معالجة الرقائق في غرف أدوات فائقة النقاء، يتم

maintained by pumps running constantly,

صيانتها بواسطة مضخات تعمل باستمرار،

to sustain a vacuum that resembles deep space.

للحفاظ على فراغ يشبه الفضاء السحيق.

High-temperature furnaces never turn off.

لا يتم إيقاف تشغيل الأفران ذات درجة الحرارة العالية.

Fab air handlers constantly expel filtered air

تعمل معالجات الهواء Fab باستمرار على طرد الهواء المفلتر

to corral dust and tiny particles away from wafers.

إلى الغبار الحبيبي والجزيئات الصغيرة بعيدًا عن الرقائق.

This takes a lot of electricity.

هذا يتطلب الكثير من الكهرباء.

The chemicals and purified water used in cleaning

تنتج المواد الكيميائية والمياه النقية المستخدمة في التنظيف

create nearly five gallons of waste per wafer run—

ما يقرب من خمسة جالونات من النفايات لكل دورة رقاقة -

which needs to be filtered and pH treated.

والتي تحتاج إلى تصفيتها ومعالجة درجة الحموضة.

Meanwhile, CMP slurries are continually flushed with water

وفي الوقت نفسه، يتم غسل ملاط CMP باستمرار بالماء

to keep their fine particles from forming chunks

لمنع جزيئاته الدقيقة من تكوين قطع من شأنها

that would tear apart the fragile copper lines.

أن تمزق خطوط النحاس الهشة.

This adds five times more liquid waste.

هذا يضيف خمس مرات أكثر من النفايات السائلة.

Fabs plow through vast amounts of nitrogen and helium gas to run their tools.

تقوم شركة Fabs بحرث كميات هائلة من النيتروجين والهيليوم لتشغيل أدواتهم.

And other gases used and generated in these tools are greenhouse contributors.

والغازات الأخرى المستخدمة والمولدة في هذه الأدوات تساهم في الاحتباس الحراري.

To minimize their emission,

لتقليل انبعاثاتها، تقوم

machines called scrubbers decompose and dissolve some gaseous byproducts

آلات تسمى أجهزة تنقية الغاز بتحلل بعض المنتجات الثانوية الغازية وتذويبها

into treatable wastewater.

وتحويلها إلى مياه صرف قابلة للعلاج.

That uses more electricity, and more water.

هذا يستهلك المزيد من الكهرباء والمزيد من المياه.

As computing complexity grows,

ومع تزايد تعقيد الحوسبة،

more copper and precious metals are needed to link up chips.

هناك حاجة إلى المزيد من النحاس والمعادن الثمينة لربط الرقائق.

And new problems arise:

وتظهر مشاكل جديدة:

today, PFAS-based photoresists are essential to make ever-smaller features.

اليوم، تعد مقاومات الضوء القائمة على PFAS ضرورية لإنشاء ميزات أصغر من أي وقت مضى.

But PFAS waste in the environment is ending up in our bodies,

لكن نفايات PFAS في البيئة تنتهي في أجسامنا،

and it may be harmful.

وقد تكون ضارة.

Computer chips are modern marvels that have transformed our world—

رقائق الكمبيوتر هي أعجوبة حديثة غيرت عالمنا -

and the factories that build them are themselves engineering wonders.

والمصانع التي تبنيها هي نفسها عجائب هندسية.

But as our demand for chips accelerates,

ولكن مع تسارع طلبنا على الرقائق،

their fabrication is hitting hard sustainability limits.

يصل تصنيعهم إلى حدود الاستدامة الصعبة.

Already, some places are beginning to ration water to farmers,

وبالفعل، بدأت بعض الأماكن في تخصيص المياه للمزارعين،

in favor of running fabs.

لصالح تشغيل المزارع.

For the sake of the future of computing and our environment,

من أجل مستقبل الحوسبة وبيئتنا،

tomorrow’s leaner, cleaner, and greener fabs

ستحتاج الشركات المصنعة للغد الأقل حجمًا ونظافة ومراعاة للبيئة

will need to run even smarter than the very chips they build.

إلى العمل بشكل أكثر ذكاءً من الرقائق ذاتها التي تصنعها.