عرض مركز أبحاث الإلكترونيات الدقيقة البلجيكي (imec) لأول مرة، خلال منتدى ITF World السنوي للتكنولوجيا المنعقد في أنتويرب في 19 مايو، جهاز بت كمومي بنقاط كمومية مُصنّع باستخدام تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى ذات الفتحة العددية العالية (High NA EUV). وقد نجح هذا الجهاز في ضغط الفجوة الفيزيائية بين أقطاب التحكم المتجاورة إلى حوالي 6 نانومتر، ويُعتبر على نطاق القطاع أول جهاز مادي يُدمج باستخدام هذه العملية المتقدمة، مما يمثل قفزة نوعية في مسار نقل الحوسبة الكمومية القائمة على السيليكون من النماذج المختبرية الأولية إلى الإنتاج الصناعي واسع النطاق في مصانع رقاقات 300 ملم.

تعمل البتات الكمومية ذات النقاط الكمومية عن طريق حصر الإلكترونات المفردة في بنى نانومترية من السيليكون (أي طبقة البوابة)، لتخزين المعلومات الكمومية باستخدام حالة اللف المغزلي للإلكترون. ويتطلب التحكم بهذه البتات الكمومية تشكيل هياكل بوابات متعددة الطبقات بدقة على المستوى النانومتري، حيث تحدد فجوة الأقطاب الكهربائية بين بوابة التحكم في جهد النقطة الكمومية (plunger gate) وبوابة الحاجز، بشكل مباشر، قوة الترابط بين البتات الكمومية وقدرتها على مقاومة التشويش. وقد صرح كريستيان دي غريف، الباحث في imec ومدير برنامج الحوسبة الكمومية، في البيان الصحفي بوضوح: "تتيح لنا تقنية High NA EUV تحقيق تشكيل دقيق للبتات الكمومية ذات النقاط الكمومية السيليكونية. ونظراً لأن قوة الترابط بين النقاط الكمومية المتجاورة تزداد أسياً مع تقلص المسافة الفاصلة بينها، كان لزاماً علينا أن نصنع بشكل موثوق فجوات لا تتجاوز بضع نانومترات بين أقطاب التحكم في النقاط الكمومية. هذا إنجاز هندسي حقيقي، تحقق بفضل فريق التكامل والتشكيل لدينا وتقنية High NA EUV الاستثنائية من ASML." وقد أُجري هذا البحث في مختبر High NA المشترك بين imec وASML في فيلدهوفن بهولندا.

تكمن الأهمية الجوهرية لتحقيق فجوة بمقاس 6 نانومتر في أنها تعالج بشكل جذري أكثر الاختناقات الفيزيائية تعقيداً في قابلية توسيع نطاق البتات الكمومية السيليكونية. فقوة الترابط بين النقاط الكمومية تتضاءل أسياً مع زيادة الفجوة، وإذا تعذر ضغط الفجوة إلى أقل من 10 نانومتر، فلن تتمكن النقاط الكمومية من تكوين قدر كافٍ من التشابك والقدرة على تنفيذ العمليات المنطقية. وفي الوقت نفسه، فإن البتات الكمومية بحد ذاتها شديدة الحساسية لضوضاء الشحنات وعيوب السطح البيني - فكلما اتسعت فجوة البوابة، زادت مساحة النقطة الكمومية المعرضة للبيئة المحيطة، مما يجعلها أكثر عرضة لتقلبات الشحنات وحالات العيوب السطحية، وهو ما يُسرّع من فك الترابط الكمومي ويقلل من دقة البت الكمومي ومعدل نجاح العمليات. وقد استعان فريق imec بنظام الطباعة الحجرية High NA EUV من ASML، مستفيداً من مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى بفتحة عددية تبلغ 0.55 لتحقيق حد دقة يفوق بكثير ما توفره تقنية الطباعة بالغمر بأشعة 193 نانومتر التقليدية (0.33 NA)، ونجح في ضغط الفجوة بين بوابة القناة وبوابة الحاجز إلى 6 نانومتر، لينتج شبكة بتات كمومية وظيفية. وعلى هذا المقياس، يصبح من الممكن نظرياً دمج ملايين البتات الكمومية على شريحة واحدة، مما يلبي العتبة الهندسية الأساسية للحواسيب الكمومية العملية حالياً.

يعكس اختيار imec للبتات الكمومية ذات اللف المغزلي في النقاط الكمومية السيليكونية كمسار تقني، ميزة جوهرية تتمثل في التوافق العالي مع عمليات تصنيع رقاقات CMOS الحالية. وقد أوضحت صوفي باين، مديرة المشروع ومهندسة التكامل الكمومي في imec، الأساس المنطقي لاختيار هذا المسار التقني بقولها: "يمكننا الاعتماد على عقود من الابتكار المتراكم في مجال أشباه الموصلات، وإعادة استخدام منظومة تصنيع السيليكون بأكملها، مما يتيح للأجهزة الكمومية الانتقال من التجارب المختبرية إلى أنظمة واسعة النطاق قابلة للتصنيع. هذه هي الميزة البارزة للبتات الكمومية القائمة على السيليكون." إن بنية تكديس البوابات في أجهزة النقاط الكمومية السيليكونية تتشابه إلى حد كبير مع ترانزستورات التأثير الميداني ذات الزعانف (FinFET) أو ترانزستورات التأثير الميداني متعددة الجسور (MBCFET) في الرقاقات المنطقية المتقدمة، وذلك في وحدات العمليات الرئيسية مثل التوصيلات البينية متعددة الطبقات المعدنية، وترسيب المواد العازلة عالية ثابت العزل (high-k)، والحفر بالطبقة الذرية. ويمكن إنجازها جميعاً بالاعتماد على عمليات التصنيع الناضجة في مصانع رقاقات 300 ملم الحالية. وبالمقارنة مع مسارات الحوسبة الكمومية الأخرى مثل الموصلات الفائقة أو المصائد الأيونية، لا يتطلب المسار القائم على السيليكون بناء مصانع متخصصة للحوسبة الكمومية، بل يمكن تحميله مباشرة على سلسلة توريد أشباه الموصلات الحالية لتحقيق التحقق من الحجم، وهذا هو السبب الجوهري وراء تسميته بـ "البت الكمومي الصناعي".

وتتجلى النقاط البارزة الأخرى لهذا العرض في إجراءات التطبيق المحددة لعملية الطباعة الحجرية High NA EUV في تصنيع الأجهزة الكمومية. فقد قام فريق التكامل والتشكيل في imec أولاً بتنمية بنى غير متجانسة عالية الجودة من السيليكون/السيليكون-جرمانيوم على رقاقات سيليكون بمقاس 300 ملم، ثم تشكيل الطبقة الأولية لتكديس البوابات عبر الترسيب بالطبقة الذرية والصقل الميكانيكي الكيميائي. وتُعد خطوة الطباعة الحجرية High NA EUV جوهر العملية بأكملها: حيث يقوم النظام البصري الإسقاطي بفتحة عددية 0.55 بتركيز ضوء الأشعة فوق البنفسجية القصوى على المادة المقاومة للضوء، ويمكنه من خلال تعريض ضوئي واحد تحديد فجوات أقطاب كهربائية بمستوى 6 نانومتر، متجنباً بذلك أخطاء تراكب الطبقات وخشونة حافة الخط التي يصعب التحكم بها في تقنيات التشكيل المتعدد التقليدية. وبعد التعريض، استخدم الفريق حفراً بلازميا عالي الانتقائية لنقل النمط إلى مادة البوابة المعدنية، ثم أكمل التوصيلات البينية للأقطاب الكهربائية عبر عمليات التطعيم اللاحقة. وقد أُنجزت عملية التصنيع بأكملها في بيئة الغرف النظيفة القياسية لمصنع رقاقات 300 ملم، وبما يتوافق أساساً مع تدفق تصنيع رقاقات CMOS المنطقية المتقدمة.

وكان imec قد نجح سابقاً، من خلال عمليات تصنيع محسّنة ومتوافقة مع مصانع رقاقات 300 ملم، في تحقيق عمليات بت كمومي ذات لف مغزلي عالية الدقة بشكل قابل للتكرار على هياكل النقاط الكمومية، مما أثبت اتساق عمليات التصنيع المتوافقة مع CMOS في إعداد البتات الكمومية. ومع إدخال تقنية الطباعة الحجرية High NA EUV هذه المرة، ينتقل تركيز البحث والتطوير من النماذج المختبرية المنعزلة إلى مرحلة تصنيع رقاقات قياسية قابلة للاستنساخ، مما يثبت أن تقنيات الطباعة الحجرية الأكثر تقدماً مناسبة أيضاً للتصنيع عالي الدقة للأجهزة الكمومية. يقع المقر الرئيسي لـ imec في لوفين ببلجيكا، ويعمل فيه أكثر من 6500 موظف، وبلغت إيراداته 1.2 مليار يورو في عام 2025، ويحتل موقعاً محورياً في مجال البحث والتطوير العالمي لعمليات أشباه الموصلات المتقدمة. وتُعتبر آلة الطباعة الحجرية High NA EUV على نطاق واسع تقنية أساسية تدعم تطوير الرقاقات المنطقية المتقدمة لأقل من 2 نانومتر والذاكرات عالية الكثافة، ويُظهر عرض imec هذا أن هذه المنصة التقنية يُتوقع أن تصبح أيضاً عاملاً تمكينياً رئيسياً لأجهزة الحوسبة الكمومية واسعة النطاق. ومع اكتمال تركيب معدات High NA EUV في لوفين، شرع فريق البحث بالفعل في الأعمال التحضيرية للمرحلة التالية للتوسع نحو النطاق الصناعي.