સેમિકન્ડક્ટર ક્રાંતિનું હૃદય: સિલિકોન વેફર અને ફોટોલિથોગ્રાફીની જટિલ પ્રક્રિયાની ઊંડી સમજૂતી

આધુનિક ટેકનોલોજીની દુનિયામાં આપણે જે સ્માર્ટફોન, લેપટોપ કે આર્ટિફિશિયલ ઇન્ટેલિજન્સનો ઉપયોગ કરીએ છીએ, તેની પાછળ સેમિકન્ડક્ટર ચિપ્સનો હાથ છે. આ ચિપ્સ બનાવવાની પ્રક્રિયા અત્યંત જટિલ અને ચોકસાઈ માંગી લે તેવી હોય છે. આ પ્રક્રિયાના બે મુખ્ય પાસાઓ છે: એક છે સિલિકોન વેફર (silicon wafer), જે ચિપ માટેના કેનવાસ જેવું કામ કરે છે, અને બીજું છે ફોટોલિથોગ્રાફી (photolithography), જે આ કેનવાસ પર અબજો સર્કિટ કોતરવાનું કામ કરે છે. આ બંને પ્રક્રિયાઓ એક સિક્કાની બે બાજુ જેવી છે, જેને 'જેનસ-ફેસ્ડ' (Janus-faced) પ્રક્રિયા કહી શકાય, કારણ કે તે પદાર્થ વિજ્ઞાન અને ઓપ્ટિકલ એન્જિનિયરિંગનો અદભૂત સંગમ છે.

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં વેફર (wafer) શબ્દ ૧૯૫૦ના દાયકામાં પ્રચલિત થયો હતો. વિકિપીડિયાના અહેવાલ મુજબ, વેફર એ સેમિકન્ડક્ટર પદાર્થનો એક અત્યંત પાતળો અને ગોળ ટુકડો છે. તે સામાન્ય રીતે સ્ફટિકીય સિલિકોન (crystalline silicon) માંથી બનાવવામાં આવે છે. આ વેફર પર જ માઇક્રોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો બનાવવામાં આવે છે, જે બાદમાં આપણા ગેજેટ્સનો હિસ્સો બને છે. વેફર બનાવવાની પ્રક્રિયા રેતીમાંથી શરૂ થાય છે અને તે અત્યંત શુદ્ધ હોવી જોઈએ.

વેફરના નિર્માણ માટે 'ચોકરાલ્સ્કી પદ્ધતિ' (Czochralski method) સૌથી વધુ જાણીતી છે. આ પદ્ધતિમાં, અત્યંત શુદ્ધ સિલિકોનને પીગળાવવામાં આવે છે અને તેમાંથી એક નળાકાર સ્ફટિક (boule) ખેંચવામાં આવે છે. આ સ્ફટિકની શુદ્ધતા ૯૯.૯૯૯૯૯૯૯% (9N) થી પણ વધુ હોય છે. આ નળાકારને બાદમાં વાયર સો (wire saw) વડે પાતળા ટુકડાઓમાં કાપવામાં આવે છે, જેને આપણે વેફર કહીએ છીએ. આ વેફરની સપાટીને અત્યંત સપાટ બનાવવા માટે તેને કેમિકલ વડે પોલિશ કરવામાં આવે છે.

વેફરનું કદ તેના ઉત્પાદન ખર્ચ અને કાર્યક્ષમતા પર મોટી અસર કરે છે. શરૂઆતના સમયમાં વેફર માત્ર ૧ ઇંચના હતા, પરંતુ આજે ૩૦૦ mm (૧૧.૮ ઇંચ) ના વેફર પ્રમાણભૂત છે. ઇન્ટેલ (Intel) અને સેમસંગ (Samsung) જેવી કંપનીઓ ૪૫૦ mm ના વેફર પર પણ સંશોધન કરી રહી છે. મોટા વેફરનો ફાયદો એ છે કે તેના પર એકસાથે વધુ ચિપ્સ બનાવી શકાય છે, જેનાથી દરેક ચિપનો ખર્ચ ઘટે છે. જોકે, ૪૫૦ mm ના વેફર બનાવવા માટે મશીનરીનો ખર્ચ ૨૦% થી ૫૦% જેટલો વધી શકે છે, જે એક મોટો પડકાર છે.

જ્યારે વેફર તૈયાર થઈ જાય, ત્યારે તેના પર સર્કિટ બનાવવાની પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે, જેને ફોટોલિથોગ્રાફી કહેવામાં આવે છે. આ શબ્દ ગ્રીક શબ્દો 'ફોટો' (પ્રકાશ), 'લિથો' (પથ્થર) અને 'ગ્રાફી' (લખવું) પરથી આવ્યો છે. સરળ શબ્દોમાં કહીએ તો, આ પ્રકાશની મદદથી પથ્થર (સિલિકોન) પર લખવાની કળા છે. આ પ્રક્રિયામાં પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને ફોટોરેઝિસ્ટ (photoresist) નામના પડ પર પેટર્ન ટ્રાન્સફર કરવામાં આવે છે. ફોટોરેઝિસ્ટ એ પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલ પદાર્થ છે જે વેફર પર લગાવવામાં આવે છે.

ફોટોલિથોગ્રાફીની પ્રક્રિયા અનેક તબક્કાઓમાં વહેંચાયેલી છે. સૌથી પહેલા વેફરને સાફ કરવામાં આવે છે જેથી તેના પર કોઈ અશુદ્ધિ ન રહે. ત્યારબાદ તેના પર એડહેસન પ્રમોટર (adhesion promoter) તરીકે HMDS નામનું રસાયણ લગાવવામાં આવે છે, જે ફોટોરેઝિસ્ટને વેફર સાથે મજબૂતીથી ચોંટાડવામાં મદદ કરે છે. ત્યારબાદ 'સ્પિન કોટિંગ' (spin coating) પદ્ધતિ દ્વારા વેફર પર ફોટોરેઝિસ્ટનું એક સમાન અને પાતળું પડ ચઢાવવામાં આવે છે. આ વેફરને ૯૦ થી ૧૦૦ °C તાપમાને ગરમ કરવામાં આવે છે જેથી વધારાનું દ્રાવક (solvent) ઉડી જાય.

હવે મુખ્ય તબક્કો આવે છે: એક્સપોઝર (exposure). આ તબક્કે, એક ફોટોમાસ્ક (photomask) નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે જેમાં સર્કિટની ડિઝાઇન હોય છે. આ માસ્ક પરથી તીવ્ર પ્રકાશ પસાર કરવામાં આવે છે, જે વેફર પરના ફોટોરેઝિસ્ટ પર પડે છે. જે ભાગ પર પ્રકાશ પડે છે, ત્યાં રાસાયણિક ફેરફાર થાય છે. પોઝિટિવ ફોટોરેઝિસ્ટના કિસ્સામાં, પ્રકાશિત ભાગ દ્રાવ્ય (soluble) બની જાય છે અને તેને ડેવલપર (developer) નામના પ્રવાહીથી ધોઈ શકાય છે. આ રીતે, માસ્ક પરની ડિઝાઇન વેફર પર ઉતરી આવે છે.

પ્રકાશની તરંગલંબાઇ (wavelength) નક્કી કરે છે કે સર્કિટ કેટલી નાની બનાવી શકાય છે. અત્યારે ડીપ અલ્ટ્રાવાયોલેટ (DUV) અને એક્સ્ટ્રીમ અલ્ટ્રાવાયોલેટ (EUV) લિથોગ્રાફીનો ઉપયોગ થાય છે. EUV લિથોગ્રાફી અત્યંત અદ્યતન છે અને તે માત્ર થોડા નેનોમીટર જેટલી નાની પેટર્ન બનાવી શકે છે. ASML નામની ડચ કંપની આ મશીનો બનાવવામાં વિશ્વમાં મોખરે છે. એક જટિલ ચિપ બનાવવા માટે વેફરને ૫૦ થી વધુ વખત લિથોગ્રાફી ચક્રમાંથી પસાર થવું પડી શકે છે.

આ સમગ્ર પ્રક્રિયા અત્યંત સ્વચ્છ વાતાવરણમાં એટલે કે ક્લીનરૂમ (cleanroom) માં કરવામાં આવે છે. હવામાં રહેલો રજકણ પણ જો વેફર પર પડે, તો આખી ચિપ નિષ્ફળ જઈ શકે છે. તેથી જ વૈજ્ઞાનિકો અને એન્જિનિયરો ખાસ પ્રકારના સૂટ પહેરીને કામ કરે છે. ફોટોલિથોગ્રાફી માત્ર ચિપ્સ બનાવવા માટે જ નહીં, પણ માઇક્રો-ઇલેક્ટ્રો-મિકેનિકલ સિસ્ટમ્સ (MEMS) બનાવવા માટે પણ અનિવાર્ય ટેકનોલોજી છે.

ભારત માટે આ ટેકનોલોજીનું મહત્વ ઘણું છે. જેમ જેમ ભારત સેમિકન્ડક્ટર મિશન હેઠળ પોતાની ફેબ્સ (fabs) સ્થાપવાની દિશામાં આગળ વધી રહ્યું છે, તેમ વેફર ફેબ્રિકેશન અને લિથોગ્રાફીની સમજ અત્યંત જરૂરી બની જાય છે. જોકે ૪૫૦ mm ના વેફર હજુ વ્યાપક ઉપયોગમાં નથી આવ્યા, પરંતુ ૩૦૦ mm ના વેફર પર ઉત્પાદન ખર્ચ ૨૦૦ mm ની સરખામણીએ ૩૦% થી ૪૦% જેટલો ઓછો આવે છે. આ આર્થિક પાસું જ સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગને સતત નવીનતા તરફ દોરી જાય છે.

ભવિષ્યમાં, સિલિકોન સિવાયના પદાર્થો જેવા કે ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ (GaN) અને સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC) ના વેફર પણ લોકપ્રિય થઈ રહ્યા છે. ઇન્ફિનિયોન (Infineon) કંપનીએ સપ્ટેમ્બર ૨૦૨૪ માં વિશ્વના પ્રથમ ૩૦૦ mm GaN વેફરની જાહેરાત કરી હતી. આ નવા પદાર્થો પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને ઇલેક્ટ્રિક વાહનોમાં ક્રાંતિ લાવી શકે છે. આમ, રેતીના એક કણથી શરૂ થતી આ યાત્રા માનવ સભ્યતાના સૌથી જટિલ મશીનોના નિર્માણ સુધી પહોંચે છે.