في الوقت الحالي، تقف صناعة الرقاقات أمام إحدى أهم نقاط الاختناق التقنية، وهي تصنيع آلة "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" (EUV) المستخدمة تجاريا على نطاق واسع والتي تحتكر الشركة الهولندية "إيه إس إم إل" (ASML) صناعتها.
وتؤدي هذه المنظومة الصناعية الضخمة، التي تجمع الليزر والبصريات والفيزياء والبرمجيات والتحكم الميكانيكي الدقيق، دورا أساسيا في إنتاج أحدث أجيال الرقاقات من خلال طباعة الترانزستورات على الرقاقات بدقة تسمح بوضع المليارات منها على رقاقة سيليكون لا يتجاوز قطرها 30 سنتيمترا.
اعتمدت صناعة أشباه الموصلات على تقنية "الطباعة الحجرية" (Lithography) من أجل نقل أنماط الدوائر الإلكترونية من القناع إلى المادة الحساسة للضوء التي تغطي رقاقة السيليكون باستخدام الضوء.
وفي خمسينيات القرن العشرين، حاول المصنعون الأوائل للرقاقات رسم أنماط الدوائر الإلكترونية يدويا، لكن أي تلامس مادي مع الرقاقة السيليكونية كان يؤدي إلى خدشها أو تلويثها أو تشويه النمط المرسوم عليها، فيما ساعد الضوء في طباعة أنماط متطابقة دون الحاجة إلى أي تلامس مادي مع الرقاقة.
وفي عملية "الطباعة الحجرية"، يسلط الضوء عبر نمط دقيق على الرقاقة الرقيقة من مادة السيليكون المطلية بمادة كيميائية حساسة للضوء، حيث تتفاعل تلك المادة عند تعرضها للضوء، مما يؤدي إلى تليين المناطق المعرضة للضوء.
وتُزال تلك المناطق اللينة كاشفة عن طبقة السيليكون الموجودة تحتها، مع نقل الرقاقة إلى جهاز لحفر النمط المطلوب في السيليكون المكشوف وملء الفراغات المحفورة بمعادن من أجل ربط الترانزستور بمصدر الطاقة، مع جمع هذه الطبقات المحفورة معا لتشكل شبكة معقدة من الترانزستورات.
ومع مرور الوقت، طورت منظومة تصنيع أشباه الموصلات تقنيات حفر أكثر تطورا، معتمدة على أطوال موجية ضوئية أصغر فأصغر، حيث يساعد قصر موجة الضوء، إلى جانب تحسين البصريات والعملية التصنيعية، في طباعة أنماط أدق، وزيادة كثافة العناصر، بما يتيح تحسين الأداء وكفاءة الطاقة.
واعتمدت الصناعة لسنوات طويلة على تقنية ضوء "الأشعة فوق البنفسجية العميقة" (DUV) بطول موجي قدره 193 نانومتر، التي أتاحت إمكانية إنشاء تفاصيل بدقة 22 نانومتر، لكن الاعتماد على هذه التقنية وحدها من أجل تصغير الأنماط يرفع عدد الخطوات ويزيد التعقيد والتكلفة.
وهنا جاء دور "الأشعة فوق البنفسجية القصوى" بطول موجي قدره 13.5 نانومتر، أي أقصر بنحو 14 مرة من طول موجة "الأشعة فوق البنفسجية العميقة"، والتي استغرقت "إيه إس إم إل" قرابة عقدين لتطويرها قبل أن يبدأ الإنتاج التجاري الكمي للرقاقات المصنعة باستخدامها عام 2019.
وأصبحت المصانع تستخدم "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" في الطبقات الأشد تعقيدا من المعالجات والذاكرات المتقدمة.
يبدأ التعقيد من مصدر الضوء نفسه، حيث تعتمد "إيه إس إم إل" على تقنية تعرف باسم "البلازما الناتجة عن الليزر" (LPP) لتوليد ضوء "الأشعة فوق البنفسجية القصوى".
وفي هذه العملية، تقذف الآلة 50 ألف قطرة صغيرة في الثانية من القصدير المنصهر لتضرب كل قطرة نبضتين ليزريتين منفصلتين، حيث تعمل النبضة الأولى على تشكيل قطرة القصدير، بينما تتولى النبضة الثانية توليد البلازما التي تصدر ضوء "الأشعة فوق البنفسجية القصوى" بطول موجي 13.5 نانومترا.
لكن هذا الضوء لا يمر عبر الهواء أو الزجاج العادي لأنه يُمتص بسرعة، لذلك ينتقل داخل نظام فراغ عال، وينعكس على سلسلة من المرايا الفائقة الدقة بدلا من العدسات من أجل نقل النمط عبر قناع عاكس إلى الطبقة الحساسة للضوء بدقة عالية.
ويكتمل المشهد بتفاصيل أخرى، مثل الحد من تلوث المرايا، وأنظمة التبريد للحفاظ على ثبات الحرارة، وضبط حركة أقراص السيليكون وسرعتها، والتحكم في الاهتزاز، حيث قد تؤدي الاضطرابات في الحرارة والمحاذاة والاهتزاز إلى خفض جودة الطباعة والإنتاجية.
رغم أن "إيه إس إم إل" هي الشركة الوحيدة التي تبيع آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" التجارية، فإنها تجمع خبراتها مع خبرات شركات تابعة وشركاء متخصصين لإنتاجها، ويصعب هذا التشابك استنساخها مقارنة باستنساخ منتج إلكتروني استهلاكي.
وتعد "كارل زايس" (Carl Zeiss) المزود الوحيد للبصريات في المنظومة، إذ تورد مرايا تضم طبقات رقيقة متناوبة مصممة لتعزيز انعكاس الضوء مع المحافظة على شكلها الهندسي.
وتنتج "كارل زايس" أنظمتها البصرية عبر عقود من البحث في علم المواد والطلاءات النانومترية والقياس الضوئي والتصنيع في بيئات نظيفة، حيث تؤثر عيوب السطح والطلاء في الضوء المتاح وجودة الصورة.
في حين تعد "سايمر" (Cymer) مساهمة في تسريع تطوير مصدر ضوء "الأشعة فوق البنفسجية القصوى" عبر تطويرها القدرة على توليد إشعاع 13.5 نانومتر بكفاءة كافية للاستخدام الصناعي.
ويأتي الليزر الذي يضرب قطرات القصدير من "ترامبف" (Trumpf)، التي تطور ليزرات ثاني أكسيد الكربون العالية الطاقة لهذا الغرض.
معرفة المبدأ الفيزيائي لا تكفي لبناء نظام صناعي منافس، حيث استغرقت "إيه إس إم إل" وشركاؤها أكثر من عقدين لتطوير التقنية مع إنفاق أكثر من 6 مليارات يورو (نحو 6.5 مليارات دولار) خلال 17 عاما.
وهذه الآلة ليست منتجا من شركة واحدة، إذ تأتي التقنيات والمكونات من شبكة من الشركات والموردين المختلفين العابرين للقارات.
وتظهر محاولة نسخ آلة بهذه الدرجة من التعقيد وجود مئات التفاصيل الصغيرة، من حرارة المرايا إلى معايرة المصدر، حيث لا تختزل المخططات وحدها الخبرة اللازمة لتصنيع المكونات وضبطها وتشغيلها.
وقد تكشف الهندسة العكسية التصميم الداخلي والخارجي وبعض المواد والمكونات والبرمجيات، لكنها لا تضمن استعادة جميع معارف التصنيع والمعايرة. ونتيجة لذلك، فإن تفكيك الآلة لا يكفي لإعادة بنائها.
كما قد تختصر الهندسة العكسية بعض خطوات البحث، لكنها لا تلغي تحديات التكامل والتصنيع. وحتى لو استطاعت دولة ما تفكيك آلة كاملة، فإن ذلك لا يضمن إتقان تصنيع بديل لها أو تشغيلها بتكلفة منافسة.
وتظهر التكلفة الحقيقية لهذه المنظومة الصناعية المتكاملة في عقود من البحث والتطوير، وأنظمة البرمجيات والتحكم، وخدمات الصيانة، وسلاسل التوريد.
ونتيجة لذلك، فإن المصنع الذي يشتري الآلة يشتري علاقة تقنية طويلة الأمد مع "إيه إس إم إل" وشركائها، لأن تشغيلها يعتمد على دعم وخبرة وصيانة مستمرة.
لم تكتف "إيه إس إم إل" بالسيطرة على آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى"، إنما واصلت سباقها عبر تطوير آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى ذات الفتحة العددية العالية" (High-NA EUV).
وتعمل آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" المنتشرة اليوم بفتحة عددية 0.33، في حين ترفعها آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى ذات الفتحة العددية العالية" إلى 0.55، الأمر الذي يرفع قدرة البصريات على جمع الضوء وتركيزه من نطاق زاوي أوسع لتحسين الدقة.
وتمثل آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى ذات الفتحة العددية العالية" نقلة نوعية تتيح للمصانع طباعة تفاصيل أكثر دقة، ومضاعفة كثافة الترانزستورات، ودعم عقد التصنيع التي تقل عن 2 نانومتر.
لكن هذا التطور يأتي بتكلفة مرتفعة، حيث إن الانتقال إلى فتحة عددية أعلى يستلزم تصميما بصريا مختلفا، ومرايا أكبر وأكثر تعقيدا، وأنظمة إضاءة وإسقاط جديدة، إلى جانب متطلبات أشد للقياس والمحاذاة والتحكم الحراري.
تقود "شنغهاي آيشينغنا لتكنولوجيا الإلكترونيات" (Shanghai Aishengna Electronic Technology) جهودا لإنتاج آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة الغامرة" (immersion DUV) المصنوعة محليا.
وتخطط الشركة المملوكة للدولة لتصنيع 5 آلات من هذا النوع هذا العام و 20 آلة عام 2027، مقابل 131 آلة من الفئة نفسها لشركة "إيه إس إم إل" عام 2025.
وفي ديسمبر/كانون الأول 2025، نشرت "رويترز" تقريرا استقصائيا تحدث عن بناء الصين نموذجا أوليا لآلة "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى".
ووفقا للتقرير، فقد استطاع النموذج توليد ضوء "الأشعة فوق البنفسجية القصوى"، لكنه لم ينتج رقاقات عاملة في ذلك الوقت.
في حين أفاد تحليل نشرته مجلة "ذا دبلومات" (The Diplomat) بأن معاهد صينية أحرزت تقدما في أبحاث مصدر الضوء ونماذجه الأولية، لكنه شدد على أن التحدي يشمل المواد الحساسة للضوء العالية النقاء والوصول إلى قدرة كافية للإنتاج التجاري.
وتوضح "رويترز" أن الصين تهدف إلى إنتاج النموذج لرقاقات عاملة بحلول عام 2028، بينما رأت مصادر قريبة من المشروع أن عام 2030 أكثر واقعية.
وتسعى الصين إلى تجاوز غياب آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" عبر استخدام آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة" من أجل إنتاج الرقاقات المتقدمة.
وتعتمد في ذلك على تقنيات تعدد الأنماط، أي توزيع النمط على خطوات إضافية، لكن هذه الطريقة ترفع التكلفة وتطيل زمن التصنيع وتزيد احتمالات العيوب.
وتظهر هذه التفاصيل الفرق الجوهري بين توليد ضوء "الأشعة فوق البنفسجية القصوى" وتصنيع الرقاقات بواسطته، حيث إن الفارق بين الحالتين هو الفارق بين إشعال مصدر ضوء في المختبر وبناء نظام متكامل يعمل لساعات طويلة بإنتاجية عالية وبنسبة عيوب منخفضة.
منذ عام 2019، لم تحصل صادرات آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" إلى الصين على التراخيص اللازمة، تحت ضغط أمريكي بدأ في الإدارة الأولى للرئيس الأمريكي دونالد ترمب، واستمر وتكثف في السنوات اللاحقة.
وتوسعت ضوابط تصدير لتشمل نماذج متقدمة من آلات "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة الغامرة"، مما يحد من قدرات الصين على توسيع إنتاج الرقاقات المتقدمة بكفاءة.
ويؤدي تقييد الصيانة والقطع بمرور الوقت إلى تراجع الجاهزية والإنتاجية، حيث تحتاج الآلات إلى فحص دوري، وقطع استهلاكية، وتحديثات برمجية، ومهندسين متخصصين.
وفي عام 2024، أوضحت الحكومة الهولندية أن الشركة بحاجة إلى ترخيص لتوفير قطع الغيار وتحديثات البرمجيات لمعدات تصنيع الرقاقات الإلكترونية التي باعتها سابقا لعملاء صينيين.
فيما بدأ الكونغرس الأمريكي في العام الحالي مناقشة مشروع قانون يسمى "ماتش" (MATCH) يهدف إلى تشديد الرقابة على تصدير معدات وأدوات تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة إلى الصين.
ختاما، تجسد آلة "الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى" منظومة معرفية وهندسية وصناعية متكاملة، تتضافر فيها البصريات ومصادر الضوء وأنظمة الحركة والقياس والتحكم، إلى جانب شبكة موردين وخبرات تراكمت على مدى عقود.
وقد تتقدم الصين في بناء بدائل محلية، لكن تحويل نموذج أولي إلى آلة ذات إنتاجية تجارية يظل تحديا يتجاوز قدرات الهندسة العكسية المباشرة. ومن هنا يصبح التحكم في هذه الآلات عنصرا من عناصر النفوذ في سباق أشباه الموصلات العالمي.