सेमीकंडक्टर क्रांति का हृदय: सिलिकॉन वेफर और फोटोलिथोग्राफी की जटिल प्रक्रिया की गहन व्याख्या
आधुनिक चिप्स कैसे बनती हैं? रेत से सिलिकॉन वेफर बनाने और प्रकाश की सहायता से उस पर अरबों सर्किट उकेरने की विज्ञान-यात्रा।
आधुनिक तकनीक की दुनिया में हम जिन स्मार्टफोन, लैपटॉप या आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग करते हैं, उनके पीछे सेमीकंडक्टर चिप्स का हाथ है। इन चिप्स को बनाने की प्रक्रिया अत्यंत जटिल और सटीकता की मांग करने वाली होती है। इस प्रक्रिया के दो मुख्य पहलू हैं: एक है सिलिकॉन वेफर (silicon wafer), जो चिप के लिए कैनवास की तरह काम करता है, और दूसरा है फोटोलिथोग्राफी (photolithography), जो इस कैनवास पर अरबों सर्किट उकेरने का काम करती है। ये दोनों प्रक्रियाएं एक सिक्के के दो पहलुओं जैसी हैं, जिसे 'जेनस-फेस्ड' (Janus-faced) प्रक्रिया कहा जा सकता है, क्योंकि यह पदार्थ विज्ञान और ऑप्टिकल इंजीनियरिंग का अद्भुत संगम है।
सेमीकंडक्टर उद्योग में वेफर (wafer) शब्द 1950 के दशक में प्रचलित हुआ था। विकिपीडिया की रिपोर्ट के अनुसार, वेफर सेमीकंडक्टर पदार्थ का एक अत्यंत पतला और गोल टुकड़ा है। यह सामान्यतः क्रिस्टलीय सिलिकॉन (crystalline silicon) से बनाया जाता है। इसी वेफर पर माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए जाते हैं, जो बाद में हमारे गैजेट्स का हिस्सा बनते हैं। वेफर बनाने की प्रक्रिया रेत से शुरू होती है और यह अत्यंत शुद्ध होनी चाहिए।
वेफर के निर्माण के लिए 'चोकराल्स्की पद्धति' (Czochralski method) सबसे अधिक जानी जाती है। इस पद्धति में, अत्यंत शुद्ध सिलिकॉन को पिघलाया जाता है और उसमें से एक बेलनाकार क्रिस्टल (boule) खींचा जाता है। इस क्रिस्टल की शुद्धता 99.9999999% (9N) से भी अधिक होती है। इस बेलन को बाद में वायर सॉ (wire saw) से पतले टुकड़ों में काटा जाता है, जिन्हें हम वेफर कहते हैं। इस वेफर की सतह को अत्यंत सपाट बनाने के लिए इसे केमिकल से पॉलिश किया जाता है।
- सफाई और तैयारीवेफर को रासायनिक रूप से साफ किया जाता है और नमी दूर करने के लिए 150 °C तापमान पर गर्म किया जाता है।
- फोटोरेसिस्ट एप्लीकेशनस्पिन कोटिंग द्वारा वेफर पर प्रकाश-संवेदनशील फोटोरेसिस्ट की एक पतली परत लगाई जाती है।
- एक्सपोज़रफोटोमास्क के माध्यम से तीव्र प्रकाश वेफर पर डाला जाता है, जिससे सर्किट की डिज़ाइन फोटोरेसिस्ट पर अंकित हो जाती है।
- डेवलपिंगविशेष घोल का उपयोग करके अतिरिक्त फोटोरेसिस्ट को हटा दिया जाता है, जिससे वेफर पर पैटर्न दिखाई देता है।
वेफर का आकार उसकी उत्पादन लागत और कार्यक्षमता पर बड़ा असर डालता है। शुरुआती समय में वेफर केवल 1 इंच के थे, लेकिन आज 300 mm (11.8 इंच) के वेफर मानक हैं। इंटेल (Intel) और सैमसंग (Samsung) जैसी कंपनियां 450 mm के वेफर पर भी शोध कर रही हैं। बड़े वेफर का फायदा यह है कि उस पर एक साथ अधिक चिप्स बनाई जा सकती हैं, जिससे प्रत्येक चिप की लागत घटती है। हालांकि, 450 mm के वेफर बनाने के लिए मशीनरी की लागत 20% से 50% तक बढ़ सकती है, जो एक बड़ी चुनौती है।
| पदार्थ | अधिकतम व्यावसायिक आकार | स्थिति |
|---|---|---|
| सिलिकॉन (Si) | 300 mm | व्यापक उपयोग में |
| गैलियम नाइट्राइड (GaN) | 300 mm | 2024 में घोषणा हुई |
| सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) | 200 mm | विकास के अंतर्गत |
| डायमंड (Diamond) | 50-55 mm | प्रोटोटाइप चरण में |
जब वेफर तैयार हो जाता है, तब उस पर सर्किट बनाने की प्रक्रिया शुरू होती है, जिसे फोटोलिथोग्राफी कहा जाता है। यह शब्द ग्रीक शब्दों 'फोटो' (प्रकाश), 'लिथो' (पत्थर) और 'ग्राफी' (लिखना) से आया है। सरल शब्दों में कहें तो, यह प्रकाश की मदद से पत्थर (सिलिकॉन) पर लिखने की कला है। इस प्रक्रिया में प्रकाश का उपयोग करके फोटोरेसिस्ट (photoresist) नामक परत पर पैटर्न ट्रांसफर किया जाता है। फोटोरेसिस्ट प्रकाश के प्रति संवेदनशील पदार्थ है जिसे वेफर पर लगाया जाता है।
फोटोलिथोग्राफी की प्रक्रिया कई चरणों में विभाजित है। सबसे पहले वेफर को साफ किया जाता है ताकि उस पर कोई अशुद्धि न रहे। इसके बाद उस पर एडहेसन प्रमोटर (adhesion promoter) के रूप में HMDS नामक रसायन लगाया जाता है, जो फोटोरेसिस्ट को वेफर के साथ मजबूती से चिपकाने में मदद करता है। तत्पश्चात 'स्पिन कोटिंग' (spin coating) पद्धति द्वारा वेफर पर फोटोरेसिस्ट की एक समान और पतली परत चढ़ाई जाती है। इस वेफर को 90 से 100 °C तापमान पर गर्म किया जाता है ताकि अतिरिक्त विलायक (solvent) उड़ जाए।
- सफाईवेफर से नमी और अशुद्धियों को दूर करने के लिए 150 °C पर गर्म किया जाता है।
- एडहेसनHMDS रसायन का उपयोग करके वेफर पर फोटोरेसिस्ट को मजबूती से चिपकाने के लिए एक परत तैयार की जाती है।
- स्पिन कोटिंगवेफर पर फोटोरेसिस्ट की एक समान और पतली परत चढ़ाई जाती है।
अब मुख्य चरण आता है: एक्सपोजर (exposure)। इस चरण में, एक फोटोमास्क (photomask) का उपयोग किया जाता है जिसमें सर्किट की डिजाइन होती है। इस मास्क से तीव्र प्रकाश गुजारा जाता है, जो वेफर पर स्थित फोटोरेसिस्ट पर पड़ता है। जिस भाग पर प्रकाश पड़ता है, वहां रासायनिक परिवर्तन होता है। पॉजिटिव फोटोरेसिस्ट के मामले में, प्रकाशित भाग घुलनशील (soluble) बन जाता है और उसे डेवलपर (developer) नामक द्रव से धोया जा सकता है। इस प्रकार, मास्क पर मौजूद डिजाइन वेफर पर उतर आती है।
प्रकाश की तरंगदैर्घ्य (wavelength) यह निर्धारित करती है कि सर्किट कितनी छोटी बनाई जा सकती है। वर्तमान में डीप अल्ट्रावायलेट (DUV) और एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट (EUV) लिथोग्राफी का उपयोग होता है। EUV लिथोग्राफी अत्यंत उन्नत है और यह केवल कुछ नैनोमीटर जितनी छोटी पैटर्न बना सकती है। ASML नामक डच कंपनी इन मशीनों को बनाने में विश्व में अग्रणी है। एक जटिल चिप बनाने के लिए वेफर को 50 से अधिक बार लिथोग्राफी चक्र से गुजरना पड़ सकता है।
यह पूरी प्रक्रिया अत्यंत स्वच्छ वातावरण यानी क्लीनरूम (cleanroom) में की जाती है। हवा में मौजूद धूल का एक कण भी यदि वेफर पर गिर जाए, तो पूरी चिप विफल हो सकती है। इसीलिए वैज्ञानिक और इंजीनियर विशेष प्रकार के सूट पहनकर काम करते हैं। फोटोलिथोग्राफी न केवल चिप्स बनाने के लिए, बल्कि माइक्रो-इलेक्ट्रो-मैकेनिकल सिस्टम्स (MEMS) बनाने के लिए भी अनिवार्य तकनीक है।
भारत के लिए इस तकनीक का महत्व बहुत अधिक है। जैसे-जैसे भारत सेमीकंडक्टर मिशन के तहत अपनी फैब्स (fabs) स्थापित करने की दिशा में आगे बढ़ रहा है, वैसे-वैसे वेफर फैब्रिकेशन और लिथोग्राफी की समझ अत्यंत आवश्यक हो जाती है। हालांकि 450 mm के वेफर अभी व्यापक उपयोग में नहीं आए हैं, लेकिन 300 mm के वेफर पर उत्पादन लागत 200 mm की तुलना में 30% से 40% तक कम आती है। यह आर्थिक पहलू ही सेमीकंडक्टर उद्योग को निरंतर नवाचार की ओर ले जाता है।
भविष्य में, सिलिकॉन के अलावा अन्य पदार्थों जैसे कि गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के वेफर भी लोकप्रिय हो रहे हैं। इन्फिनियोन (Infineon) कंपनी ने सितंबर 2024 में दुनिया के पहले 300 mm GaN वेफर की घोषणा की थी। ये नए पदार्थ पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और इलेक्ट्रिक वाहनों में क्रांति ला सकते हैं। इस प्रकार, रेत के एक कण से शुरू होने वाली यह यात्रा मानव सभ्यता की सबसे जटिल मशीनों के निर्माण तक पहुँचती है।
| पदार्थ | व्यावसायिक आकार (2024) |
|---|---|
| Silicon (Si) | 300 mm |
| Silicon Carbide (SiC) | 150 mm |
| Gallium Arsenide (GaAs) | 150 mm |
| Aluminum Nitride (AlN) | 50 mm |
