પ્રકાશ વડે પથ્થર પર કોતરણી: સિલિકોન ચિપ અને ફોટોલિથોગ્રાફીનું વિજ્ઞાન

આધુનિક માનવ સભ્યતા આજે સિલિકોન ચિપ્સના અદ્રશ્ય પાયા પર ટકેલી છે. સ્માર્ટફોન, કમ્પ્યુટર, કાર કે સુપરકોમ્પ્યુટરમાં ધબકતા માઇક્રોપ્રોસેસર્સ અસલમાં અબજો અત્યંત સૂક્ષ્મ સ્વિચો એટલે કે ટ્રાન્ઝિસ્ટર (transistor) ધરાવે છે. માનવ વાળની જાડાઈ કરતાં પણ હજારો ગણી પાતળી આ રચનાઓ કોઈ યાંત્રિક સાધન કે સોય વડે બનાવી શકાતી નથી. તેના નિર્માણ માટે જે અદ્ભુત તકનીક વપરાય છે તેને સેમિકન્ડક્ટર ડિવાઇસ ફેબ્રિકેશન (semiconductor device fabrication) અને ખાસ કરીને ફોટોલિથોગ્રાફી (photolithography) કહેવામાં આવે છે. આ એવી પ્રક્રિયા છે જેમાં પ્રકાશના કિરણોનો ઉપયોગ કરીને અતિજટિલ ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટને સિલિકોનના સ્તર પર છાપવામાં આવે છે.

ગ્રીક ભાષામાં ‘ફોટો’ (photo) નો અર્થ પ્રકાશ, ‘લિથો’ (litho) નો અર્થ પથ્થર અને ‘ગ્રાફી’ (graphy) નો અર્થ લખાણ કે ચિત્રણ થાય છે. આ શબ્દ પ્રાચીન સમયમાં ચૂનાના પથ્થર પર શાહી વડે થતી પરંપરાગત લિથોગ્રાફિક પ્રિન્ટિંગ પદ્ધતિ પરથી આવ્યો છે. પરંતુ આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં આ ‘પથ્થર’ એટલે અતિશુદ્ધ સિલિકોન ક્રિસ્ટલની પાતળી તકતી, જેને વેફર (wafer) કહે છે. ફોટોલિથોગ્રાફીની મદદથી આ વેફર પર નેનોમીટર (nanometer: મીટરનો એક અબજમો ભાગ) કદની ડિઝાઇન તૈયાર કરવામાં આવે છે. આ સમગ્ર ઉત્પાદન પ્રક્રિયા અત્યંત વિશિષ્ટ સુવિધાઓમાં થાય છે, જેને ફેબ્સ (fabs) અથવા ફાઉન્ડ્રી (foundry) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

ક્લીનરૂમ અને ઉત્પાદનનું વાતાવરણ

સેમિકન્ડક્ટર ચિપ બનાવવાની ફેક્ટરી સામાન્ય ઔદ્યોગિક એકમો જેવી હોતી નથી. તેનો મુખ્ય ભાગ ક્લીનરૂમ (cleanroom) કહેવાય છે. હવામાં તરતો સાદો ધૂળનો રજકણ પણ જો વેફર પર બેસી જાય, તો તે આખી ચિપની સર્કિટને નષ્ટ કરી શકે છે. તેથી ક્લીનરૂમની હવાને સતત અતિ-સૂક્ષ્મ ફિલ્ટરો દ્વારા શુદ્ધ કરવામાં આવે છે. ત્યાં કામ કરતા વૈજ્ઞાનિકો અને એન્જિનિયરો માથાથી પગ સુધી ખાસ આવરણ ધરાવતો સ્યુટ પહેરે છે.

ફેબ્રિકેશન પ્લાન્ટની અંદર સિલિકોન વેફરને ખુલ્લી હવામાં લઈ જવાતા નથી. તેમને ખાસ સીલબંધ પ્લાસ્ટિકના બોક્સમાં પરિવહન કરવામાં આવે છે, જેને ફાઉપ (FOUP - Front Opening Unified Pod) કહે છે. તાંબાના વાયરિંગનું ઓક્સિડેશન (oxidation) ન થાય તે માટે આ બોક્સની અંદર નાઇટ્રોજન વાયુનું નિષ્ક્રિય વાતાવરણ જાળવવામાં આવે છે. આ વિશિષ્ટ બોક્સને પ્રોસેસિંગ મશીનમાં દાખલ કરવા માટે ઇક્વિપમેન્ટ ફ્રન્ટ એન્ડ મોડ્યુલ (EFEM) નામની પ્રણાલી વપરાય છે, જે બાહ્ય ક્લીનરૂમ કરતાં પણ વધુ શુદ્ધ વાતાવરણ વેફરને પૂરું પાડે છે. અત્યાધુનિક ૭, ૧૦ કે ૧૪ નેનોમીટર નોડ્સ ધરાવતી ચિપ્સના ઉત્પાદનમાં સરેરાશ ૧૧ થી ૧૩ અઠવાડિયા લાગે છે, અને અમુક જટિલ તબક્કાઓમાં આ સમયગાળો ૧૫ અઠવાડિયા સુધી પહોંચી શકે છે.

ફોટોલિથોગ્રાફીની કાર્યપદ્ધતિ: પ્રકાશ વડે સર્કિટનું આલેખન

ફોટોલિથોગ્રાફીની મૂળભૂત પ્રક્રિયા ફોટોગ્રાફી સાથે ઘણી મળતી આવે છે. જેમ જૂના જમાનાના કેમેરામાં નેગેટિવ ફિલ્મ પર પ્રકાશ પાડીને ફોટો ડેવલપ કરવામાં આવતો હતો, તેમ અહીં સિલિકોન વેફર પર સર્કિટની ડિઝાઇન કંડારવામાં આવે છે. આખી પ્રક્રિયા ચોક્કસ ક્રમબદ્ધ તબક્કાઓમાં વહેંચાયેલી હોય છે.

સૌપ્રથમ વેફરની રાસાયણિક સફાઈ કરવામાં આવે છે. સપાટી પરથી કાર્બનિક કે અકાર્બનિક અશુદ્ધિઓ દૂર કરવા માટે હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડ ધરાવતા સોલ્યુશન વડે ‘RCA ક્લીન’ પદ્ધતિ અથવા એસીટોન, મિથેનોલ કે ટ્રાઇક્લોરોઇથિલિનનો ઉપયોગ થાય છે. ત્યાર બાદ સપાટી પરનો ભેજ દૂર કરવા માટે વેફરને ૧૫૦ °C તાપમાને દસ મિનિટ સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે. વેફર પરનો સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (silicon dioxide) પ્રવાહીને આકર્ષે છે, તેથી તેના પર ફોટોરેસિસ્ટ મજબૂતાઈથી ચોંટે તે માટે હેક્ઝામિથાઈલડિસિલાઝેન (HMDS) નામનું રસાયણ લગાડવામાં આવે છે. આ રસાયણ સપાટીને કારના વેક્સની જેમ અત્યંત જળ-પ્રતિરોધક (water repellent) બનાવે છે.

ત્યાર બાદ સ્પિન કોટિંગ (spin coating) દ્વારા પ્રવાહી ફોટોરેસિસ્ટ (photoresist: પ્રકાશ પ્રત્યે સંવેદનશીલ રાસાયણિક પડ) પાથરવામાં આવે છે. વેફરને અતિ ઝડપે ગોળ ફેરવવામાં આવે છે, જેથી કેન્દ્રત્યાગી બળને લીધે વધારાનું રસાયણ બહાર ફેંકાઈ જાય છે અને સપાટી પર અત્યંત પાતળું, એકસરખું સ્તર રચાય છે. ૧૨૫ નેનોમીટર કરતાં નાની ડિઝાઇન માટે ફોટોરેસિસ્ટનું પડ ૦.૫ માઇક્રોનથી પણ ઓછું રાખવામાં આવે છે. સ્પિનિંગ પછી વેફરને ૯૦ થી ૧૦૦ °C તાપમાને ૩૦ થી ૬૦ સેકન્ડ માટે પ્રીબેક (prebake) કરવામાં આવે છે જેથી દ્રાવક (solvent) ઊડી જાય.

હવે મુખ્ય તબક્કો આવે છે: એક્સપોઝર (exposure). સ્ટેપર અથવા સ્કેનર નામના અત્યંત સચોટ મશીનમાં ફોટોમાસ્ક (photomask: સર્કિટની મૂળ ડિઝાઇન ધરાવતી કાચ કે ક્વાર્ટઝની પ્લેટ) રાખવામાં આવે છે. માસ્કમાંથી તીવ્ર પ્રકાશ વેફર પર પાડવામાં આવે છે. પ્રકાશ પડવાથી ફોટોરેસિસ્ટમાં રાસાયણિક ફેરફાર થાય છે. પોઝિટિવ રેસિસ્ટમાં પ્રકાશિત થયેલો ભાગ ‘ડેવલપર’ નામના પ્રવાહીમાં દ્રાવ્ય બની જાય છે અને ધોવાઈ જાય છે; જ્યારે નેગેટિવ રેસિસ્ટમાં અપ્રકાશિત ભાગ ઓગળી જાય છે. ડીપ અલ્ટ્રાવાયોલેટ (DUV) પ્રક્રિયામાં કેમિકલી એમ્પ્લીફાઇડ રેસિસ્ટ (CAR) વપરાય છે, જેમાં ફોટોન અથડાતાં એસિડ પેદા થાય છે જે પ્રક્રિયાને ઝડપી બનાવે છે.

ડેવલપમેન્ટ પછી જે ડિઝાઇન ખૂલ્લી થાય છે, તેના પર એચિંગ (etching: વધારાના દ્રવ્યને એસિડ કે પ્લાઝ્મા વડે કોતરીને દૂર કરવું), આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન (ion implantation: અશુદ્ધિ ઉમેરીને વીજવહન બદલવું) અથવા ડિપોઝિશન (નવા ધાતુ કે અવાહક સ્તર જમા કરવા) જેવી પ્રક્રિયાઓ કરવામાં આવે છે. એક જટિલ ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ બનાવવા માટે એક જ વેફરને આવી ફોટોલિથોગ્રાફી સાઇકલમાંથી ૫૦ જેટલી વખત પસાર થવું પડે છે.

ઐતિહાસિક સફર: નેચરલ ડામરથી સુપરચિપ સુધી

પ્રકાશ-સંવેદનશીલ સામગ્રીનો ઉપયોગ ૧૮૨૦ના દાયકામાં નાઇસફોર નીપ્સે (Nicephore Niepce) શરૂ કર્યો હતો. તેમણે ‘બિટ્યુમેન ઓફ જુડિયા’ નામના કુદરતી ડામરનો ઉપયોગ વિશ્વના પ્રથમ ફોટોરેસિસ્ટ તરીકે કર્યો હતો. ૧૯૪૦માં ઓસ્કાર સુસે (Oskar Süß) ડાયાઝોનેપ્થોક્વિનોનનો ઉપયોગ કરીને સૌપ્રથમ પોઝિટિવ ફોટોરેસિસ્ટ બનાવ્યો. ૧૯૫૪માં લુઇસ પ્લેમ્બેકે ડાયક્રિલ પોલિમરિક પ્લેટ બનાવી.

સેમિકન્ડક્ટર ક્ષેત્રે લિથોગ્રાફીનો પાયો ૧૯૫૦ના દાયકામાં નખાયો. ૧૯૫૨માં યુ.એસ. લશ્કર દ્વારા જે. ડબલ્યુ. લાથ્રોપ અને જેમ્સ આર. નાલને નિકટતા ફ્યુઝ (proximity fuze) માટે ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટ્સ નાની બનાવવાની જવાબદારી સોંપવામાં આવી હતી. વિમાનની પાંખોમાં રિવેટના કાણાંની સીમા નક્કી કરવા વપરાતા પ્રવાહીમાંથી પ્રેરણા લઈને તેમણે જર્મેનિયમ ટ્રાન્ઝિસ્ટરને સુરક્ષિત રાખવા અને પ્રકાશ વડે પેટર્ન પાડવા આ પદ્ધતિ વિકસાવી. ૧૯૫૮માં વોશિંગ્ટન ડી.સી. ખાતેની કોન્ફરન્સમાં તેમણે સૌપ્રથમ વાર ‘ફોટોલિથોગ્રાફી’ શબ્દનો ઉપયોગ કર્યો હતો. તેમણે ‘ફોટોએચિંગ’ને બદલે આ શબ્દ એટલા માટે પસંદ કર્યો કારણ કે તે વધુ હાઇ-ટેક સંભળાતો હતો. તેમની આ પેટન્ટ ૯ જૂન ૧૯૫૯ના રોજ મંજૂર થઈ.

લગભગ આ જ ગાળામાં, ૧૯૫૫માં બેલ લેબ્સ ખાતે કાર્લ ફ્રોશ અને લિંકન ડેરીકે અકસ્માતે સિલિકોન પર સિલિકોન ડાયોક્સાઇડનું સ્તર વિકસાવ્યું અને તેની સપાટી નિષ્ક્રિયિકરણ (passivation) અસરો નોંધી. ૧૯૫૭માં તેમણે માસ્કિંગ પદ્ધતિથી વિશ્વના પ્રથમ પ્લેનર ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર (FET) બનાવ્યા, જેમાં ડ્રેઇન અને સોર્સ એક જ સપાટી પર અડીને આવેલા હતા. ૧૯૫૭માં જ બેલ લેબ્સના જુલ્સ એન્ડ્રુસે પણ સેમિકન્ડક્ટર ફોટોલિથોગ્રાફીની પેટન્ટ મેળવી હતી. ૧૯૬૩માં સીએમઓએસ (CMOS) તકનીક શોધાઈ, જેને આરસીએ (RCA) કંપનીએ ૧૯૬૮માં વ્યાપારી ધોરણે ૨૦ માઇક્રોનથી શરૂ કરીને ૧૦ માઇક્રોન સુધી વિકસાવી.

સાઇઝનું વિસ્તરણ: ૧ ઇંચથી ૩૦૦ મિલીમીટર વેફર

જેમ જેમ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોની માંગ વધતી ગઈ, તેમ તેમ વધુ ચિપ્સ એકસાથે બનાવવા માટે સિલિકોન વેફરનો વ્યાસ મોટો કરવામાં આવ્યો. વેફરનું કદ મોટું થવાથી એક જ વખતમાં વધુ સંખ્યામાં ડાઇ (die: વેફરમાંથી કાપીને અલગ કરાતી સિંગલ ચિપ) મેળવી શકાય છે, જેનાથી ઉત્પાદન ખર્ચ ઘટે છે.

૧૯૬૦ના દાયકામાં વેફરનું કદ માત્ર ૨૫ મિમી (૧ ઇંચ) હતું. તે સમયે એન્જિનિયરો ચીપિયા (tweezers) વડે વેફરને પકડતા હતા. ૧૯૭૦ના દાયકામાં વેક્યુમ વાન્ડ્સ અને વેફર કેસેટ્સ આવી. ૧૫૦ મિમીના આગમન સાથે મેન્યુઅલ હેન્ડલિંગ જોખમી બન્યું અને રોબોટિક્સ અનિવાર્ય બન્યું. ૨૦૦૦ની સાલથી ૩૦૦ મિમીના વેફર વૈશ્વિક માનક બન્યા છે. હવે જૂની અને સરળ ચિપ્સ (જેમ કે એનાલોગ કે પાવર આઇસી) ૨૦૦ મિમી પર બને છે, જ્યારે અત્યાધુનિક પ્રોસેસર્સ ૩૦૦ મિમી પર જ બને છે.

પ્રોસેસ નોડ્સ અને આધુનિક ભૂરાજકારણ

સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં ‘પ્રોસેસ સાઇઝ’ કે ‘ફીચર સાઇઝ’ (feature size) નો અર્થ ચિપ પર કંડારી શકાતી લઘુત્તમ રેખાની પહોળાઈ (linewidth) થાય છે. ઐતિહાસિક રીતે ૯૦ નેનોમીટર કે ૩૫૦ નેનોમીટર જેવા નામો ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ગેટની લંબાઈ દર્શાવતા હતા. પરંતુ ૧૯૯૪ પછી આ માપદંડ વધુ માર્કેટિંગ શબ્દ બની ગયો છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઇન્ટેલની ૧૦ નેનોમીટર પ્રોસેસમાં ફિનફેટ (FinFET) ના છેડાની પહોળાઈ વાસ્તવમાં ૭ નેનોમીટર હોય છે, જે ટીએસએમસી (TSMC) ની ૭ નેનોમીટર પ્રોસેસ જેટલી જ ટ્રાન્ઝિસ્ટર ઘનતા ધરાવે છે.

આજે નેનોમીટર સ્તરની ચિપ્સ બનાવવા માટે અતિ-ટૂંકી તરંગલંબાઈ ધરાવતા પ્રકાશની જરૂર પડે છે. એક્સટ્રીમ અલ્ટ્રાવાયોલેટ લિથોગ્રાફી (EUVL) મશીનો બનાવવામાં નેધરલેન્ડ્સની ASML કંપની વિશ્વમાં મોનોપોલી ધરાવે છે. આ મશીનો એટલા સંવેદનશીલ અને વ્યૂહાત્મક છે કે ૨૦૧૯માં ટ્રમ્પ વહીવટીતંત્રે દબાણ કરીને ASML દ્વારા ચીનને EUV મશીનોના વેચાણ પર પ્રતિબંધ મુકાવ્યો હતો. આ ટેકનોલોજીકલ સ્પર્ધા વચ્ચે ૨૦૨૬માં ચીનની સ્થાનિક કંપનીએ ડીપ અલ્ટ્રાવાયોલેટ (DUV) ઇમર્સન લિથોગ્રાફી ટૂલ્સ ગ્રાહકોને મોકલવાનું શરૂ કર્યું છે. વિશ્લેષક ગ્રેગરી સી. એલનના જણાવ્યા મુજબ ચીન ૨૦૨૬માં ૫ અને ૨૦૨૭માં ૨૦ ઇમર્સન મશીનો બનાવવાની અપેક્ષા રાખે છે, જે ASML દ્વારા ૨૦૦૩-૨૦૦૫ દરમિયાન વ્યાપારી મૂલ્યાંકન માટે મુકાયેલા ૧૩ મશીનોની ગતિ સાથે સુસંગત છે.

ભારત જેવા દેશો માટે સેમિકન્ડક્ટર ફેબ્રિકેશન ક્ષેત્રે પગપેસારો કરવો એ માત્ર આર્થિક બાબત નથી પરંતુ ભૂરાજકીય સ્વાયત્તતાનો પ્રશ્ન છે. સ્માર્ટફોનથી માંડીને સંરક્ષણ પ્રણાલીઓ સુધીની દરેક ચીજ આ સિલિકોન તકતીઓ પર આધારિત છે. રેતીમાંથી શુદ્ધ સિલિકોન મેળવી, તેના પર અલ્ટ્રાવાયોલેટ પ્રકાશના તરંગો વડે અદ્રશ્ય પરિમાણોમાં અબજો ટ્રાન્ઝિસ્ટર છાપવાની આ વૈજ્ઞાનિક કળા માનવ ઇતિહાસની સૌથી અટપટી અને પ્રભાવશાળી સિદ્ધિઓમાંની એક છે.