ધોલેરા અને સાણંદથી ભારતની સેમિકન્ડક્ટર ક્રાંતિ: ચિપ ફેબ્રિકેશનનું વિજ્ઞાન અને ગુજરાતની ભૂમિકા

ગુજરાતમાં સિલિકોન ક્રાંતિનો ઉદય

આધુનિક માનવ સભ્યતા અને અર્થતંત્રનું ચાલકબળ આજે અદૃશ્ય એવી સિલિકોન ચિપ્સ બની ગઈ છે. સ્માર્ટફોન, કાર, સુપરકોમ્પ્યુટર કે રક્ષણ સાધનો—દરેક ક્ષેત્ર સેમિકન્ડક્ટર વગર અટકી પડે છે. આ વૈશ્વિક પટલ પર ભારતે પોતાના સ્થાનિક ચિપ ઉત્પાદનની સૌથી મોટી છલાંગ ગુજરાતના ધોલેરા અને સાણંદથી લગાવી છે. અમદાવાદ જિલ્લામાં લગભગ ૧૦૦ કિલોમીટર દક્ષિણ-પશ્ચિમે ફેલાયેલા ધોલેરા સ્પેશિયલ ઇન્વેસ્ટમેન્ટ રીજન (DSIR) ખાતે Tata સમૂહ દ્વારા ભારતનો સૌપ્રથમ ચિપ ફેબ્રિકેશન પ્લાન્ટ સ્થાપવામાં આવી રહ્યો છે. તેની સાથે Vedanta સમૂહ પણ ડિસ્પ્લે અને સેમિકન્ડક્ટર ફેબ માટે ત્રણ ભાગીદારો સાથે પ્રથમ તબક્કામાં $૫ અબજના રોકાણની ચર્ચામાં જોડાયેલું છે.

આ પ્રકલ્પ માત્ર ફેક્ટરીઓ બાંધવા પૂરતો મર્યાદિત નથી, પરંતુ વિશ્વના સૌથી જટિલ ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન ક્ષેત્રમાં ભારતનો સત્તાવાર પ્રવેશ દર્શાવે છે. અત્યાર સુધી અમેરિકા, તાઇવાન અને દક્ષિણ કોરિયા જેવા દેશોના વર્ચસ્વવાળા આ ક્ષેત્રમાં પ્રવેશવા માટે ગુજરાતના ધોલેરામાં ૯૨૦ ચોરસ કિલોમીટરથી વધુ વિસ્તારમાં એક નવું ગ્રીનફિલ્ડ ઔદ્યોગિક શહેર ઊભું કરવામાં આવી રહ્યું છે. સેમિકન્ડક્ટર મેન્યુફેક્ચરિંગ શા માટે આટલું અઘરું છે અને ધોલેરામાં શું બની રહ્યું છે તે સમજવા માટે તેની વિજ્ઞાન અને ઉત્પાદન પ્રક્રિયાના મૂળમાં જવું જરૂરી છે.

ચિપ ફેબ્રિકેશનનું વિજ્ઞાન: વેફરથી લઈને ડાઇ સુધી

સેમિકન્ડક્ટર ડિવાઇસ ફેબ્રિકેશન એ મૂળભૂત રીતે ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ્સ (ICs) બનાવવાની બહુ-તબક્કાવાર પ્રક્રિયા છે. આ પ્રક્રિયામાં શુદ્ધ સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સેમિકન્ડક્ટર પદાર્થમાંથી બનેલી ગોળાકાર તકતી, જેને વેફર (wafer) કહેવામાં આવે છે, તેના પર ક્રમશઃ હજારો-કરોડો ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટ્સ તૈયાર કરવામાં આવે છે. આ ઉત્પાદન અત્યંત વિશિષ્ટ પ્લાન્ટ્સમાં થાય છે, જેને ફાઉન્ડ્રી અથવા 'ફેબ' (fab) કહેવામાં આવે છે. ફેબનું હૃદય તેનો 'ક્લીન રૂમ' (clean room) હોય છે, જ્યાં હવામાં રજકણોનું પ્રમાણ લગભગ શૂન્ય રાખવામાં આવે છે, કારણ કે ધૂળનો એક નાનકડો કણ પણ માઇક્રોસ્કોપિક સર્કિટને નષ્ટ કરી શકે છે.

આ પ્રક્રિયા ફોટોલિથોગ્રાફી (photolithography—પ્રકાશની મદદથી રાસાયણિક સપાટી પર ડિઝાઇન છાપવાની તકનીક) અને ભૌતિક-રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનું એક જટિલ ચક્ર છે. તેમાં થર્મલ ઓક્સિડેશન (સિલિકોન પર ઓક્સાઇડનું સ્તર બનાવવું), પાતળા સ્તરનું ડિપોઝિશન (thin-film deposition), આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન (ion implantation—સિલિકોનમાં વીજળીનું વહન નિયંત્રિત કરવા આયનો ઉમેરવા) અને એચિંગ (etching—બિનજરૂરી ભાગને રાસાયણિક રીતે કોતરી કાઢવો) જેવા પગલાં વારંવાર દોહરાવવામાં આવે છે. એક તૈયાર વેફર પર અસંખ્ય ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ્સ બને છે, જેને ડાઇ (dies) કહેવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા પૂર્ણ થયા બાદ વેફરને કાપીને આ ડાઇ છૂટી પાડવામાં આવે છે, જેને ડાઇ સિંગ્યુલેશન (die singulation) અથવા વેફર ડાઇસિંગ કહે છે, અને ત્યારબાદ તેનું પેકેજિંગ થાય છે.

અત્યંત નિયંત્રિત વાતાવરણ અને મશીનરી

આધુનિક ફેબ્રિકેશનમાં વેફર્સને સામાન્ય હવામાં રાખવામાં આવતી નથી. પ્લાન્ટની અંદર વેફર્સને વિશિષ્ટ સીલબંધ પ્લાસ્ટિક બોક્સમાં લઈ જવામાં આવે છે, જેને FOUP (Front Opening Unified Pod) કહે છે. આ FOUP બોક્સની અંદર શુદ્ધ નાઇટ્રોજન વાતાવરણ જાળવવામાં આવે છે, જેથી વેફર પર વાયરિંગ માટે વપરાતા તાંબાનું ઓક્સિડેશન ન થાય. પ્રોસેસિંગ સાધનો અને FOUPની અંદરનું વાતાવરણ ક્લીન રૂમની હવા કરતાં પણ વધુ શુદ્ધ હોય છે, જેને 'મિની-એન્વાયર્નમેન્ટ' (mini-environment) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

આ મિની-એન્વાયર્નમેન્ટ EFEM (ઇક્વિપમેન્ટ ફ્રન્ટ એન્ડ મોડ્યુલ) સાથે જોડાયેલું હોય છે, જે મશીનને FOUP સ્વીકારવાની અને અંદર વેફર દાખલ કરવાની પરવાનગી આપે છે. હવામાંથી ભેજ અંદર ન ઘૂસે તે માટે FOUP અને EFEM વચ્ચે એર કર્ટેન કે જાળી ગોઠવવામાં આવે છે. આ તમામ સાધનો અને FOUPsને સતત નાઇટ્રોજનથી શુદ્ધ રાખવા માટે ફેબ્રિકેશન પ્લાન્ટ્સને વિશાળ જથ્થામાં પ્રવાહી નાઇટ્રોજનની જરૂર પડે છે. વિશ્વમાં આવી ફેબ્રિકેશન મશીનરી બનાવવામાં ASML, Applied Materials, Tokyo Electron અને Lam Research જેવી ગણતરીની જાયન્ટ કંપનીઓ જ સક્ષમ છે.

આધુનિક ૧૪, ૧૦ કે ૭ નેનોમીટર (nm) નોડ્સ પર ચાલતી ચિપ્સના ફેબ્રિકેશનમાં સરેરાશ ૧૧ થી ૧૩ અઠવાડિયા લાગે છે, જ્યારે અદ્યતન પ્રોસેસમાં ૧૫ અઠવાડિયા જેટલો લાંબો સમય લાગી શકે છે. આ ઉત્પાદન સંપૂર્ણપણે સ્વચાલિત હોય છે, જેમાં મટિરિયલ હેન્ડલિંગ સિસ્ટમ્સ વેફર્સને એક મશીનથી બીજા મશીનમાં લઈ જાય છે.

વેફરના કદ અને નોડ્સનો ઐતિહાસિક પ્રવાસ

સેમિકન્ડક્ટર ટેકનોલોજીનો ઇતિહાસ સતત સંકોચન અને વિસ્તરણનો રહ્યો છે—ટ્રાન્ઝિસ્ટર કદમાં નાના થતા ગયા અને વેફર કદમાં મોટી થતી ગઈ. ૧૯૬૦માં માત્ર ૨૫ મિલીમીટર (૧ ઇંચ) ની વેફરથી શરૂઆત થઈ હતી. ૧૯૬૯માં તે ૫૦ મિલીમીટર (૨ ઇંચ), ૧૯૭૬માં ૧૦૦ મિલીમીટર (૪ ઇંચ), ૧૯૮૧માં ૧૨૫ મિલીમીટર (૫ ઇંચ) અને ૧૯૮૩માં ૧૫૦ મિલીમીટર (૬ ઇંચ) થઈ. ૧૯૯૦માં ૨૦૦ મિલીમીટર (૮ ઇંચ) વેફર આવી જે ૧૯૯૨માં વ્યાપક બની અને વર્ષ ૨૦૦૦ સુધીમાં ૩૦૦ મિલીમીટર (૧૨ ઇંચ) ની વેફર વૈશ્વિક સ્ટાન્ડર્ડ બની ગઈ.

શરૂઆતના ૨ ઇંચ વેફરના જમાનામાં કારીગરો ચીપિયા (tweezers) વડે વેફર હાથથી પકડતા હતા. ત્યારબાદ વેક્યુમ વાન્ડ્સ અને વેફર કેસેટ્સ આવી. ૧૫૦ મિલીમીટર સુધી પહોંચતા રોબોટિક્સ અનિવાર્ય બન્યું, કારણ કે ૨૦૦ મિલીમીટરની કેસેટો વજનદાર બનતા મેન્યુઅલ હેન્ડલિંગ જોખમી બન્યું હતું. આજે ૩૦૦ મિલીમીટરની વેફર વધુ સપાટી પૂરી પાડીને ઉત્પાદન ખર્ચ ઘટાડે છે, જોકે એનાલોગ ICs, RF ચિપ્સ અને પાવર ડિવાઇસ માટે આજે પણ ૨૦૦ મિલીમીટરની વેફર્સ વપરાય છે.

આ ક્રાંતિનો પાયો ૧૯૫૫માં બેલ લેબ્સ (Bell Telephone Laboratories) ખાતે નખાયો હતો, જ્યારે કાર્લ ફ્રોશ (Carl Frosch) અને લિંકન ડેરિક (Lincoln Derick) દ્વારા અકસ્માતે સિલિકોન વેફર પર સિલિકોન ડાયોક્સાઇડનું સ્તર બન્યું. ૧૯૫૭ સુધીમાં તેમણે પ્રથમ પ્લેનર ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવ્યું. ત્યારબાદ ૧૯૫૯માં જીન હોએર્નીએ ફેરચાઇલ્ડ ખાતે પ્લેનર પ્રક્રિયા વિકસાવી. ૧૯૬૩માં ચિહ-ટાંગ સાહ અને ફ્રેન્ક વાનલાસે CMOS તકનીક વિકસાવી, જેને RCA દ્વારા ૧૯૬૮માં ૪૦૦૦-શ્રેણીની સર્કિટ્સમાં ૨૦ માઇક્રોમીટરથી શરૂ કરીને ૧૦ માઇક્રોમીટર સુધી સ્કેલ કરવામાં આવી હતી.

સમય જતાં ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ગેટની લંબાઈના આધારે 'ટેકનોલોજી નોડ' (જેમ કે ૯૦ nm પ્રોસેસ) નામકરણ શરૂ થયું. જોકે ૧૯૯૪ પછી અને ખાસ કરીને ૨૦૦૯ બાદ નેનોમીટર (nm) એ કોઈ ભૌતિક માપદંડ રહેવાને બદલે માત્ર એક માર્કેટિંગ શબ્દ બની ગયો છે. ઉદાહરણ તરીકે, Intel ની ૧૦ nm પ્રોસેસમાં ફિનફેટ (FinFET) ફિનની પહોળાઈ વાસ્તવમાં ૭ nm હોય છે, જે TSMC ની ૭ nm પ્રોસેસ જેટલી જ ટ્રાન્ઝિસ્ટર ડેન્સિટી (પ્રતિ ચોરસ વિસ્તાર દીઠ ટ્રાન્ઝિસ્ટર સંખ્યા) ધરાવે છે.

વૈશ્વિક ઉદ્યોગ અને ધોલેરા SIR ની પસંદગી

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગ હાલમાં સંપૂર્ણ વૈશ્વિક બિઝનેસ છે. વિશ્વની સૌથી મોટી પ્યોર-પ્લે ફાઉન્ડ્રી TSMC તાઇવાન, ચીન, સિંગાપોર અને અમેરિકામાં સુવિધાઓ ધરાવે છે. Samsung દક્ષિણ કોરિયા અને અમેરિકામાં પ્લાન્ટ્સ ધરાવે છે, જ્યારે Intel યુરોપ, એશિયા અને અમેરિકામાં વિસ્તરેલું છે. બીજી તરફ Qualcomm અને Broadcom જેવી ફેબલેસ (fabless—પોતાની ફેક્ટરી ન ધરાવતી) કંપનીઓ માત્ર ચિપ ડિઝાઇન કરે છે અને ઉત્પાદન TSMC જેવી ફાઉન્ડ્રી પાસે કરાવે છે.

આવા અત્યંત સંવેદનશીલ ઉદ્યોગને સ્થાપવા માટે અવિરત વીજળી, અતિશુદ્ધ પાણી, ધરતીકંપ-મુક્ત જમીન અને વૈશ્વિક લોજિસ્ટિક્સ કનેક્ટિવિટીની જરૂર પડે છે. ગુજરાતના ધોલેરા સ્પેશિયલ ઇન્વેસ્ટમેન્ટ રીજન (DSIR) ને આ જ હેતુ માટે આકાર આપવામાં આવ્યો છે. ૨૦૧૩માં ગુજરાતના તત્કાલીન મુખ્યમંત્રી નરેન્દ્ર મોદી દ્વારા જાહેર કરાયેલો આ પ્રોજેક્ટ દિલ્હી-મુંબઈ ઇન્ડસ્ટ્રિયલ કોરિડોર (DMIC) ના પ્રભાવ ક્ષેત્રમાં ભારત અને જાપાન સરકારની સંયુક્ત પહેલ તરીકે વિકસાવવામાં આવી રહ્યો છે.

ગુજરાત સરકારે બનાવેલા સ્પેશિયલ ઇન્વેસ્ટમેન્ટ રીજન એક્ટ ૨૦૦૯ હેઠળ ૨૦૧૯માં 'ધોલેરા સ્પેશિયલ ઇન્વેસ્ટમેન્ટ રીજન ડેવલપમેન્ટ ઓથોરિટી' (DSIRDA) ની સ્થાપના કરવામાં આવી હતી. આ પ્રોજેક્ટના અમલ માટે ભારત સરકાર (DMIC ટ્રસ્ટ) અને ગુજરાત સરકાર (DSIRDA) દ્વારા 'ધોલેરા ઇન્ડસ્ટ્રિયલ સિટી ડેવલપમેન્ટ લિમિટેડ' (DICDL) નામની સ્પેશિયલ પર્પઝ વ્હીકલ (SPV) ૨૮ જાન્યુઆરી ૨૦૧૬ના રોજ રચાઈ, જેમાં ગુજરાત સરકાર ૫૧% અને ભારત સરકાર ૪૯% હિસ્સો ધરાવે છે.

પ્લગ-એન્ડ-પ્લે ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર અને ગ્રીન એનર્જી

ધોલેરામાં ચિપ ઉત્પાદકોને આકર્ષવા માટે 'પ્લગ-એન્ડ-પ્લે' (તૈયાર માળખાકીય સુવિધાઓ) મોડેલ તૈયાર કરવામાં આવ્યું છે. ફેબ પ્લાન્ટ્સને અબજો કિલોવોટ વીજળીની જરૂર પડે છે. આ જરૂરિયાતને પહોંચી વળવા માટે ધોલેરામાં ૪૪૦૦ મેગાવોટ (MW) ક્ષમતાનો અલ્ટ્રા-મેગા સોલાર પાર્ક બની રહ્યો છે, જેમાંથી ૧૦૦૦ MW નો પ્રથમ તબક્કો અમલીકરણ હેઠળ છે અને ૩૦૦ MW ક્ષમતા ટાટા પાવર દ્વારા કમિશન કરી દેવામાં આવી છે.

ચિપ્સની ઝડપી અને સુરક્ષિત હેરફેર માટે ૧૦૯.૦૧૯ કિલોમીટર લાંબો અમદાવાદ-ધોલેરા ગ્રીનફિલ્ડ એક્સપ્રેસવે ૨૦૨૬માં જાહેર ઉપયોગ માટે ખુલ્લો મુકાઈ રહ્યો છે. આ ઉપરાંત ભીમનાથથી ધોલેરા વચ્ચે ફ્રેઇટ રેલ નેટવર્ક અને એક નવું ગ્રીનફિલ્ડ ઇન્ટરનેશનલ એરપોર્ટ નિર્માણ હેઠળ છે, જે ૨૦૨૬ સુધીમાં કાર્યરત થવાનું લક્ષ્ય ધરાવે છે. વૈશ્વિક રસ પણ વધી રહ્યો છે; ૨૦૨૩માં દક્ષિણ કોરિયાની કંપનીઓએ અહીં રોકાણની શક્યતાઓ તપાસી હતી, જ્યારે હોસ્પિટાલિટી ક્ષેત્રે પ્રથમ ફાઇવ-સ્ટાર હોટેલ માટે ૧૨,૦૯૫ ચોરસ મીટર પ્લોટ ફાળવવામાં આવ્યો છે. જુલાઈ ૨૦૨૬માં જાહેર થયેલી ગુજરાત ડેટા સેન્ટર પોલિસી ૨૦૨૬-૨૯માં ધોલેરાને ૭ થી ૮ ગીગાવોટ ક્ષમતા અને ₹૬ થી ૭ લાખ કરોડના રોકાણ સંભવિતતા સાથે પ્રાથમિક હબ ઘોષિત કરાયું છે.

સામાજિક પડકારો અને જમીન સંપાદન વિવાદ

વિશાળ ઔદ્યોગિક શહેરોનું નિર્માણ સ્થાનિક સમુદાયોના પ્રશ્નો વિના શક્ય બનતું નથી. ધોલેરાના ભાલ વિસ્તારમાં ૨૦૦૯ થી ૨૦૨૨ વચ્ચે આશરે ૨૨ ગામોના ખેડૂતોએ જમીન પુલિંગ (land pooling) સામે વ્યાપક વિરોધ પ્રદર્શનો કર્યા હતા. 'ભાલ બચાવો સમિતિ' જેવા સંગઠનો રચીને ખેડૂતોએ ૨૦૧૩ના જમીન સંપાદન કાયદા હેઠળ ખેડૂતોની સંમતિની જોગવાઈ લાગુ કરવાની માંગ કરી હતી.

ખેડૂતોનો મુખ્ય વિરોધ એ વાત પર હતો કે SIR એક્ટ હેઠળ તેમની ૫૦% જમીન લઈને તેના બદલામાં નાની અથવા પૂરની શક્યતાવાળી જમીન ફાળવવામાં આવતી હતી. આ ઉપરાંત ઉપજાઉ ખેતીની જમીન ગુમાવવી અને જૂની જંત્રીના આધારે અપાતા વળતર સામે રેલીઓ, ધરણા, ભૂખ હડતાળ અને અટકાયતો જેવી ઘટનાઓ બની હતી. જોકે, સરકારે આ વિરોધ વચ્ચે પણ સર્વે અને નોટિસો જારી રાખીને પ્રોજેક્ટની જમીન સંપાદન પ્રક્રિયા આગળ વધારી હતી.

ભારત માટે આગામી માર્ગ

સાણંદ અને ધોલેરા ખાતે શરૂ થઈ રહેલા સેમિકન્ડક્ટર પ્લાન્ટ્સ માત્ર સ્થાનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સપ્લાય ચેઇનને મજબૂત નહીં કરે, પરંતુ ભારતને વૈશ્વિક ચિપ નિર્માણના નકશા પર સ્થાપિત કરશે. ફેબ્રિકેશનમાં વપરાતી પ્રક્રિયાઓ ડિસ્પ્લે (LCD અને OLED) જેવા અન્ય સાધનોના નિર્માણમાં પણ ઉપયોગી બને છે. પ્લેનર ટ્રાન્ઝિસ્ટરથી શરૂ થયેલી સફર હવે ગુજરાતના ક્લીન રૂમ્સમાં ૩૦૦ મિલીમીટરની વેફર્સ પર અબજો સર્કિટ્સ રચવા સુધી પહોંચી છે. આ યાત્રા અત્યંત જટિલ સાધનસામગ્રી, સચોટ કેમિકલ પ્રોસેસિંગ અને વિશાળ ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરની સુમેળ પર નિર્ભર છે.