ثورة في عالم الرقائق: ASML و TSMC و Imec ينجحون في دمج ترانزستورات ثنائية الأبعاد على رقاقات 300 ملم بقياس 50 نانومتر

لسنوات، نظرت صناعة أشباه الموصلات إلى المواد ثنائية الأبعاد – وهي مواد لا يتجاوز سُمكها بضع ذرات – كمسار واعد لإطالة عمر تحجيم الترانزستورات المنطقية إلى ما بعد الحدود الفيزيائية للسيليكون. لكن المشكلة كانت دائماً في التصنيع. فقد بدا جلب هذه المواد فائقة الحساسية للعمل على رقاقات السيليكون القياسية بحجم 300 ملم، وبأبعاد تنافس أحدث تقنيات السيليكون، حلماً بعيد المنال.

لكن تلك المسافة انهارت بشكل كبير. ففي يونيو 2026، وخلال ندوة IEEE/JSAP لتقنية ودوائر VLSI، قدّم تحالف يضم مركز الأبحاث Imec، وشركة ASML لتقنيات الليثوغرافيا، وشركة TSMC العملاقة لتصنيع الرقاقات، عرضاً هو الأول من نوعه: ترانزستورات تأثير مجال مُصغّرة من النوعين n و p باستخدام مواد قنوات ثنائية الأبعاد، تم دمجها بالكامل على رقاقات 300 ملم بمسافة تلامس (CPP) تبلغ 50 نانومتر فقط .

لم يعد هذا مجرد تجربة مختبرية أخرى. إنها المرة الأولى التي يتم فيها تصنيع ترانزستورات ثنائية الأبعاد متكاملة – nFETs و pFETs معاً – على رقاقة إنتاج كاملة الحجم وبمسافة تُعتبر على نطاق واسع بوابة العبور من الفضول الأكاديمي إلى التصنيع الصناعي .

ما الذي تم بناؤه بالضبط؟

عرض الفريق نوعين متكاملين من الأجهزة، باستخدام مواد قنوات مختلفة فائقة الرقة :

• ترانزستورات nFETs بُنيت باستخدام ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) كمادة للقناة.
• ترانزستورات pFETs بُنيت باستخدام إما ثنائي كبريتيد التنغستن (WS₂) أو ثنائي سيلينيد التنغستن (WSe₂).

صُنعت جميع الأجهزة على رقاقة السيليكون نفسها بحجم 300 ملم باستخدام تدفق تكامل قابل للتوسع ومتوافق مع عمليات التصنيع الخلفية . ويُعتبر اختيار مواد التنغستن لترانزستورات pFETs لافتاً بشكل خاص، خاصة أن Imec كان قد أعلن سابقاً عن أداء قياسي لترانزستورات pFET باستخدام طبقة أحادية من WSe₂ في مؤتمر IEDM 2025، محققاً تيارات تشغيل تصل إلى 690µA/µm .

الرقم الأهم: مسافة تلامس 50 نانومتر

المقياس الرئيسي هنا هو مسافة التلامس (CPP) البالغة 50 نانومتر التي تحققت لكل من أجهزة nFET و pFET . في عالم تصنيع الرقاقات، تُعتبر مسافة التلامس أحد أهم مقاييس كثافة الترانزستورات، وهي مؤشر مباشر على مدى إمكانية تحجيم (تصغير) عملية منطقية.

ولوضع هذا في منظوره الصحيح: تعمل عُقد السيليكون الرائدة في الصناعة اليوم بمسافات أقل من 50 نانومتر. إن عرض ترانزستورات من مواد ثنائية الأبعاد بمسافة CPP تبلغ 50 نانومتر على رقاقات 300 ملم يُثبت أن هذه المواد الغريبة يمكنها اللعب في نفس الملعب، ليس فقط في عينات بحثية صغيرة، بل على نفس قالب الرقاقة المستخدم في المصانع ضخمة الإنتاج .

ثلاث محطات بارزة في تدفق تكامل واحد

حقق العمل المشترك ثلاث نتائج محددة وقابلة للقياس تُشكل تقدماً واضحاً يتجاوز أبحاث المواد ثنائية الأبعاد السابقة :

1. أول أجهزة nFET و pFET مُصغّرة في العالم بمسافة CPP تبلغ 50 نانومتر على رقاقات 300 ملم.
2. أظهر كلا نوعي الترانزستور تيار إغلاق (Ioff) منخفضاً للغاية عند جهد بوابة صفري (Vg=0V).
3. اقترب أداء ترانزستورات pFET التي تستخدم قنوات WSe₂ من مستويات الأجهزة المختبرية القياسية، مما يؤكد أن نهج التكامل يحافظ على جودة المواد.

بالإضافة إلى ذلك، حققت طريقة التكامل الشبيهة بتقنية CMOS ما يصل إلى 94% من الترانزستورات العاملة (تُعرف بأنها Imax/Imin أكبر من 10⁵) عبر الرقاقة، مما يؤكد أن العملية متينة ومستقرة في آن واحد .

العملية التي جعلت هذا ممكناً

ما الذي مكّن هذه القفزة من المختبر إلى المصنع؟ طوّر التحالف نهج تكامل جديد صُمم خصيصاً لمواد "ثنائي كالكوجينيد المعادن الانتقالية" (TMDs)، وهي فئة المواد ثنائية الأبعاد المستخدمة في قنوات الترانزستور . يتضمن تدفق العمل عدة وحدات معالجة رئيسية تُعتبر حاسمة للجدوى الصناعية :

• تقنية الليثوغرافيا بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) لتشكيل الأنماط فائقة الصغر اللازمة لمسافة 50 نانومتر.
• تقنيات نقل مواد TMDC مناسبة للرقاقات الكاملة.
• دمج عوازل عالية السماحية (high-k) لتراكيب البوابات.
• عزل القنوات وخطوات متقدمة من الصقل الكيميائي الميكانيكي (CMP).

هذا المزج بين أدوات تصنيع أشباه الموصلات القياسية والتعامل المُخصص مع المواد ثنائية الأبعاد هو ما يجعل هذه النتيجة اختراقاً تصنيعياً حقيقياً، وليس مجرد عرض في علوم المواد.

اختراق حاجزين في آن واحد

لكي تحل الترانزستورات ثنائية الأبعاد محل السيليكون في الرقاقات المنطقية، كان على الصناعة التغلب على تحديين أساسيين . أولاً، كان لا بد لأحدهم من بناء تدفق تكامل كامل يعمل على رقاقات 300 ملم – المعيار الأساسي لإنتاج الرقاقات الحديثة. ثانياً، كان يجب أن يعمل ذلك التدفق لكل من الأجهزة من النوع n والنوع p بنفس الأبعاد الدقيقة، لأن المنطق بتقنية CMOS يتطلب أزواجاً متكاملة.

عمل ASML-TSMC-Imec يزيل كلا العائقين في عرض واحد. من خلال الجمع بين أبحاث Imec الطويلة الأمد في الأجهزة القائمة على مواد TMD، وقدرات ASML في الليثوغرفيا، وخبرة TSMC التصنيعية، أظهرت المجموعة أنه يمكن تصنيع ترانزستورات المواد ثنائية الأبعاد، على نطاق واسع، وبالمسافة المطلوبة لعُقد الإنتاج المنطقية المستقبلية .

أين يقع هذا في خارطة طريق ما بعد السيليكون

هذه ليست تجربة لمرة واحدة. إنها تتويج لقوس أطول من التقدم المستدام عبر الصناعة.

بدأت Imec العمل على دمج مواد FETs ثنائية الأبعاد على رقاقات 300 ملم منذ عام 2018، عندما عرضت لأول مرة تنمية مباشرة لمادة WS₂ بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) على رقاقات كاملة الحجم . في عام 2019، عرض مركز الأبحاث ترانزستورات MoS₂ فائقة الصغر بأطوال قنوات تصل إلى 30 نانومتر . وبحلول عام 2020، أدخلت Imec رسمياً المواد ثنائية الأبعاد في خارطة طريق تحجيم المنطق الخاصة بها، متوقعة إدخالها بدءاً من عقدة A7 فصاعداً .

في الآونة الأخيرة، عرضت شركة Intel Foundry و Imec بشكل منفصل دمجاً لوحدات تصنيع أساسية لترانزستورات 2DFET متوافقاً مع مصانع 300 ملم، بما في ذلك وصلات المصدر/المصرف وتراكيب البوابة، وذلك في مؤتمر IEDM 2025 . وفي المؤتمر نفسه، أثمر تعاون Imec مع TSMC عن أداء قياسي لترانزستورات pFET على قنوات WSe₂، واضعاً الأسس المادية لاختراق عام 2026 .

نتيجة ASML-TSMC-Imec المنشورة في يونيو 2026 تجمع هذه الخيوط معاً في عرض واحد كامل لترانزستورات ثنائية الأبعاد متكاملة بمسافة ملائمة للمصانع على رقاقات إنتاج. من المتوقع أن يكون مخطط التكامل هذا قابلاً للتطبيق ليس فقط على مواد TMD المستخدمة في هذا العمل – MoS₂ و WS₂ و WSe₂ – بل على مواد قنوات ثنائية الأبعاد أخرى أيضاً .

ماذا بعد؟

تم الكشف عن هذا الاختراق في الورقة البحثية T1.3 في ندوة VLSI 2026، تحت عنوان "أول مسار تكامل مُمكّن بتقنية EUV لترانزستورات N و PMOS بمسافة 50 نانومتر بقناة من مواد ثنائية الأبعاد من مصنع 300 ملم" . بينما تُعتبر خصائص الأجهزة واعدة، إلا أن هذا لا يزال عرضاً بحثياً، وليس منتجاً تجارياً. لا يزال يتعين إثبات الأداء والموثوقية عند مسافات أضيق، ولم تُوحّد الصناعة بعد مجموعة المواد ثنائية الأبعاد الدقيقة للعُقد المستقبلية.

لكن الأهمية واضحة: لأول مرة، أصبح لدى صناعة أشباه الموصلات دليل ملموس على أن الترانزستورات ثنائية الأبعاد يمكنها اتباع مسار التصنيع نفسه الذي يتبعه السيليكون. لقد أصبح السباق نحو المنطق ما بعد السيليكون حقيقياً للتو.