एक तकनीक है जिसका उपयोग सिलिकॉन वेफर पर विभिन्न सामग्रियों की पतली परतों को जमा करके इंटीग्रेटेड सर्किट बनाने के लिए किया जाता है। इन सामग्रियों को उनके विद्युत गुणों के आधार पर सावधानीपूर्वक चुना जाता है और इसमें सिलिकॉन, जर्मेनियम और गैलियम आर्सेनाइड जैसे अर्धचालक शामिल होते हैं। वेफर तैयारी, परत जमाव, सर्किट डिजाइन लिथोग्राफी और परीक्षण निर्माण प्रक्रिया के कुछ ही चरण हैं।
एकीकृत परिपथ, जिन्हें IC कहा जाता है, आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण खंड हैं, जो सेलफोन से लेकर कंप्यूटर से लेकर उपग्रह तक सब कुछ शक्ति प्रदान करते हैं।
लेकिन इन छोटे इलेक्ट्रॉनिक्स का निर्माण कैसे होता है?
इन कठिन सिलिकॉन संरचनाओं को बनाने के लिए किन सामग्रियों और प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है? इस ब्लॉग में, हम सेमीकंडक्टर सामग्री से उपयोग की जाने वाली कई फैब्रिकेशन तकनीकों के उपयोग से इंटीग्रेटेड सर्किट के निर्माण के मूलभूत सिद्धांतों के बारे में जानेंगे और उनका पता लगाएंगे।
क्या आप जानते हैं?भारत में एक बढ़ता हुआ सेमीकंडक्टर उद्योग है और वर्तमान में इंटेल, सैमसंग और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स सहित कई सेमीकंडक्टर निर्माण कंपनियों का घर है।
इंटीग्रेटेड सर्किट का इतिहास
- 1947 में, विलियम बी. शॉकले और उनके सहयोगियों ने एक छोटे ट्रांजिस्टर का आविष्कार किया जिसने एकीकृत परिपथों में उपयोग किए जाने वाले आधुनिक समय के जटिल सिलिकॉन निर्माण का मार्ग प्रशस्त किया। उन्होंने पाया कि एक क्रिस्टल की सतह पर एक इलेक्ट्रॉन अवरोध को समायोजित करने से इसके माध्यम से बिजली के प्रवाह को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का निर्माण हो सकता है।
- 1958 में, टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स के जैक किल्बी और इंटेल के रॉबर्ट नोयस ने स्वतंत्र रूप से एक सिलिकॉन चिप पर सभी घटकों और उनके इंटरकनेक्शन को संयोजित करने का एक तरीका खोजा, जिससे पहला इंटीग्रेटेड सर्किट बना। किल्बी ने जर्मेनियम को अर्धचालक सामग्री के रूप में इस्तेमाल किया, जबकि नोयस ने सिलिकॉन का इस्तेमाल किया।
- एकीकृत परिपथों को उनकी वास्तुकला और उद्देश्य के आधार पर एनालॉग, डिजिटल और मिश्रित में वर्गीकृत किया गया है। एनालॉग ICs निरंतर संकेतों को संसाधित करते हैं, डिजिटल ICs असतत संकेतों को संसाधित करते हैं, और मिश्रित IC एक ही चिप पर एनालॉग और डिजिटल कार्यों को जोड़ते हैं, जिससे वे एम्पलीफायरों, फिल्टर, माइक्रोप्रोसेसर या सेंसर जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाते हैं।
सेमीकंडक्टर सामग्री
एकीकृत परिपथों में प्रयुक्त ट्रांजिस्टर, डायोड और अन्य घटक अर्धचालक पदार्थों से बने होते हैं। ये पदार्थ विद्युत विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं, जो कंडक्टर और इंसुलेटर के बीच आते हैं।कुछ परिस्थितियों में, वे कुचालक के रूप में व्यवहार कर सकते हैं और अन्य में, वे बिजली का संचालन कर सकते हैं।
सेमीकंडक्टर सामग्री के प्रकार
एकीकृत परिपथों में, विभिन्न प्रकार की अर्धचालक सामग्री कार्यरत हैं, जिनमें शामिल हैं:
1. सिलिकॉन
इंटीग्रेटेड सर्किट बनाने में उपयोग की जाने वाली सबसे विशिष्ट अर्धचालक सामग्री सिलिकॉन है। यह सिलिकॉन की बेहतर विद्युत विशेषताओं, बहुतायत और सामर्थ्य के कारण है। इसके अतिरिक्त, यह आसानी से उपलब्ध है और प्रक्रिया के लिए सीधा है।
2. जर्मेनियम
ट्रांजिस्टर बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली पहली सामग्री जर्मेनियम थी। हालांकि, इसकी कम तापीय स्थिरता और कमी के कारण, सिलिकॉन ने मुख्य रूप से इसे दबा दिया है। इन्फ्रारेड डिटेक्टर एक ऐसा क्षेत्र है जहां अभी भी जर्मेनियम कार्यरत है।
3. गैलियम आर्सेनाइड
माइक्रोवेव संचार प्रणालियों सहित उच्च गति के प्रदर्शन के लिए कॉल करने वाले अनुप्रयोग, गैलियम आर्सेनाइड का उपयोग करते हैं। यह सिलिकॉन की तुलना में अधिक महंगा है फिर भी इसमें महान विद्युत विशेषताएँ हैं।
सेमीकंडक्टर सामग्री के लक्षण
सेमीकंडक्टर सामग्री की कई विशेषताएं हैं; आइए उनमें से कुछ पर एक नजर डालते हैं।
1. चालकता
डोपिंग एक अर्धचालक पदार्थ की विद्युत चालकता को संशोधित करने के लिए अशुद्धियों का जोड़ है। डोपिंग के माध्यम से एन-टाइप और पी-टाइप सेमीकंडक्टर सामग्री दोनों का उत्पादन किया जा सकता है।फास्फोरस या आर्सेनिक जैसी अशुद्धियों को एन-प्रकार अर्धचालक सामग्री में पेश किया जाता है। सामग्री में अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो नकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं, क्योंकि इन अशुद्धियों में सिलिकॉन परमाणु की तुलना में एक अधिक इलेक्ट्रॉन होता है।बोरॉन या एल्यूमीनियम जैसी अशुद्धियों को पी-प्रकार अर्धचालक सामग्री में पेश किया जाता है। पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों की कमी होती है, जो सकारात्मक रूप से चार्ज होते हैं, क्योंकि इन अशुद्धियों में सिलिकॉन परमाणु की तुलना में एक कम इलेक्ट्रॉन होता है।
2. बंदगैप
सेमीकंडक्टर सामग्री की वैलेंस और चालन बैंड के बीच ऊर्जा अंतर को बैंडगैप के रूप में जाना जाता है। कंडक्शन बैंड वह क्षेत्र है, जहां इलेक्ट्रॉन प्रवाह के लिए स्वतंत्र होते हैं, जबकि वैलेंस बैंड वह क्षेत्र होता है जहां इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से मजबूती से जुड़े होते हैं।एक अर्धचालक सामग्री का बैंडगैप तय करता है कि यह एक इन्सुलेटर या कंडक्टर है या नहीं। कंडक्टरों में, वैलेंस बैंड और कंडक्शन बैंड ओवरलैप होते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों के अप्रतिबंधित आंदोलन को सक्षम करते हैं। इंसुलेटर में बैंडगैप बहुत चौड़ा होता है, जो इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से कंडक्शन बैंड में संक्रमण से रोकता है।सेमीकंडक्टर सामग्री के छोटे बैंडगैप के कारण, डोपिंग का स्तर उन्हें कंडक्टर या इंसुलेटर की तरह काम करने का कारण बन सकता है।
3. डोपिंग
डोपिंग में सेमीकंडक्टर सामग्री में उनकी विद्युत विशेषताओं को संशोधित करने के लिए अशुद्धियों को जोड़ना शामिल है। एन-टाइप और पी-टाइप डोपिंग डोपिंग के दो सबसे प्रचलित प्रकार हैं।एन-टाइप डोपिंग के दौरान सेमीकंडक्टर सामग्री में फॉस्फोरस या आर्सेनिक जैसी अशुद्धता जोड़ी जाती है। सिलिकॉन परमाणु की तुलना में, इन अशुद्धियों में एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होता है, जिसके परिणामस्वरूप मुक्त इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, जो नकारात्मक रूप से आवेशित होते हैं।पी-टाइप डोपिंग के दौरान अर्धचालक पदार्थ में एक अशुद्धता, जैसे कि बोरॉन या एल्यूमीनियम जोड़ा जाता है। ये अशुद्धियाँ इलेक्ट्रॉनों की कमी का कारण बनती हैं, जो सकारात्मक रूप से आवेशित होते हैं क्योंकि उनके पास सिलिकॉन परमाणु की तुलना में एक कम इलेक्ट्रॉन होता है।
इंटीग्रेटेड सर्किट कैसे बनते हैं?
इंटीग्रेटेड सर्किट एक पतली सिलिकॉन सब्सट्रेट पर इलेक्ट्रॉनिक घटकों और उनके इंटरकनेक्शन बनाने की जटिल और सटीक प्रक्रिया के माध्यम से बनाए जाते हैं। IC विकसित करने में शामिल कुछ कदम यहां दिए गए हैं:
1. वेफर तैयारी
IC निर्माण में वेफर तैयारी पहला कदम है। इसमें वेफर कहे जाने वाले सिंगल-क्रिस्टल सिलिकॉन के पतले स्लाइस को काटना, आकार देना और पॉलिश करना शामिल है। वेफर निर्माण के लिए उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन क्रिस्टल अत्यधिक शुद्ध होते हैं और एक सिलिंड्रिकल आकार में पिघले हुए सिलिकॉन से उगाए जाते हैं जिसे बाउल कहा जाता है।
2. ऑक्सीकरण
ऑक्सीकरण प्रक्रिया को IC की सतह पर सिलिकॉन ऑक्साइड की एक परत उत्पन्न करने के लिए सिलिकॉन वेफर को ऑक्सीजन देने के लिए डिज़ाइन की गई प्रक्रिया के रूप में वर्णित किया जा सकता है। प्रक्रिया बहुत अधिक तापमान पर भट्टियों में हो सकती है।ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में जल वाष्प या ऑक्सीजन गैस का उपयोग किया जाता है या नहीं, इसके आधार पर ऑक्सीकरण गीला या सूखा हो सकता है। गीला ऑक्सीकरण तेज होता है, जबकि शुष्क ऑक्सीकरण में बेहतर विद्युत गुण होते हैं। SiO2 परत आगे के प्रसंस्करण चरणों के लिए एक इन्सुलेटर और एक मुखौटा के रूप में कार्य करती है।
3. प्रसार
प्रसार सिलिकॉन वेफर के चयनित क्षेत्रों में इसकी विद्युत विशेषताओं को बदलने के लिए अशुद्धियों को पेश करने की प्रक्रिया है। अशुद्धियों को डोपेंट कहा जाता है और यह एन-टाइप या पी-टाइप हो सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि वे सिलिकॉन जाली में इलेक्ट्रॉनों को दान या स्वीकार करते हैं या नहीं।एन-टाइप के लिए फॉस्फीन (PH3) या पी-टाइप के लिए बोरॉन ट्राइफ्लोराइड (BF3) जैसे डोपेंट गैस के स्रोत के साथ भट्टी में वेफर को गर्म करके प्रसार किया जाता है। फोटोलिथोग्राफी द्वारा बनाई गई SiO2 परत में खुलने के माध्यम से डोपेंट परमाणु सिलिकॉन में फैल जाते हैं।
4. आयन आरोपण
आयन आरोपण वांछित डोपेंट तत्व के उच्च-ऊर्जा आयनों के बीम के साथ बमबारी करके सिलिकॉन वेफर को डोपिंग करने का एक वैकल्पिक तरीका है। आयन सिलिकॉन में प्रवेश करते हैं और एन-टाइप या पी-टाइप सामग्री के क्षेत्र बनाते हैं।आयन आरोपण प्रसार की तुलना में डोपेंट एकाग्रता और वितरण को अधिक सटीक रूप से नियंत्रित करता है। फिर भी, यह सिलिकॉन क्रिस्टल संरचना को और अधिक नुकसान पहुंचाता है जिसे एनीलिंग द्वारा मरम्मत की आवश्यकता होती है।
5. रासायनिक वाष्प जमाव (CVD)
एक सिलिकॉन वेफर पर विभिन्न सामग्रियों की पतली फिल्मों को वांछित तत्व या यौगिक युक्त गैस के संपर्क में लाने की विधि को रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) के रूप में जाना जाता है।गैस वेफर की सतह पर प्रतिक्रिया करती है या विघटित हो जाती है, जिससे एक ठोस परत बनती है। CVD पॉलीसिलिकॉन, सिलिकॉन नाइट्राइड (Si3N4), धातु सिलिकाइड्स (जैसे टंगस्टन सिलीसाइड WSi2), और धातु (जैसे एल्यूमीनियम अल) सहित सामग्री जमा कर सकता है।
6. फोटोलिथोग्राफी
फोटोलिथोग्राफी एक पैटर्न को मास्क से वेफर की सतह पर प्रकाश-संवेदनशील सामग्री का उपयोग करके स्थानांतरित करने की प्रक्रिया है जिसे फोटोरेसिस्ट कहा जाता है। फोटोरेसिस्ट को वेफर पर लेपित किया जाता है और फिर वांछित पैटर्न वाले मास्क के माध्यम से पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है।मुखौटा सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि यह अपने उद्घाटन के माध्यम से प्रकाश को अवरुद्ध करता है या पास करता है। फोटोरेसिस्ट के उजागर क्षेत्र डेवलपर समाधान में या तो घुलनशील या अघुलनशील हो जाते हैं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि यह एक सकारात्मक या नकारात्मक फोटोरेसिस्ट है या नहीं।विकसित फोटोरेसिस्ट एक पैटर्न वाली परत बनाता है, जिसका उपयोग आगे की प्रक्रिया के चरणों जैसे कि नक़्क़ाशी, डोपिंग या धातुकरण के लिए किया जा सकता है।
7. धातुकरण
धातुकरण एक एकीकृत परिपथ के विभिन्न क्षेत्रों या परतों के बीच धातु के अंतर्संबंध बनाने की प्रक्रिया है। धातु आमतौर पर एल्यूमीनियम या तांबा होता है और CVD या वाष्पीकरण तकनीकों द्वारा सतह पर जमा किया जाता है।फिर धातु की परत को फोटोलिथोग्राफी और नक़्क़ाशी द्वारा तार और संपर्क बनाने के लिए तैयार किया जाता है जो IC के विभिन्न घटकों और टर्मिनलों को जोड़ता है।
8. पैकेजिंग
इसमें एक सुरक्षात्मक आवरण में समाप्त IC चिप को शामिल करना शामिल है जो यांत्रिक समर्थन, विद्युत कनेक्शन और पर्यावरण संरक्षण प्रदान करता है। पैकेजिंग या तो प्लास्टिक या सिरेमिक हो सकती है और IC के आवेदन और प्रदर्शन आवश्यकताओं के आधार पर अलग-अलग आकार और आकार हो सकते हैं।पैकेजिंग में पिन या लीड भी होते हैं, जो IC चिप को बाहरी सर्किट या उपकरणों से जोड़ते हैं।
IC उद्योग का सामना करने वाली चुनौतियाँ
IC उद्योग को अपने नवाचार, विकास और लाभप्रदता को प्रभावित करने वाली कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। इनमें से कुछ चुनौतियाँ हैं:
1. इंनोवेशन
IC उद्योग ने दशकों से मूर के नियम का पालन किया है, जिसमें कहा गया है कि एक चिप पर ट्रांजिस्टर की संख्या हर दो साल में दोगुनी हो जाती है। हालाँकि, जैसे-जैसे IC का फीचर आकार सिलिकॉन प्रौद्योगिकी की भौतिक सीमाओं तक पहुँचता है, IC उद्योग को प्रदर्शन, विश्वसनीयता और लागत-प्रभावशीलता सुनिश्चित करते हुए स्केलिंग की गति को बनाए रखने में बढ़ती चुनौतियों का सामना करना पड़ता है|इन चुनौतियों में बिजली की खपत, गर्मी अपव्यय, परिवर्तनशीलता, रिसाव, शोर और दोष शामिल हैं। इस प्रकार, IC का नवाचार इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और आधुनिक समय के इंटरनेट बुनियादी ढांचे में नवाचार को आगे बढ़ाने में महत्वपूर्ण है।
2. रोबोटिक्स और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस
IC उद्योग तेजी से रोबोटिक्स और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस (एआई) का उपयोग अपनी निर्माण प्रक्रियाओं को स्वचालित और अनुकूलित करने के लिए करता है, जैसे वेफर हैंडलिंग, परीक्षण, निरीक्षण और गुणवत्ता नियंत्रण। रोबोटिक्स और एआई IC निर्माण उत्पादकता, सटीकता, विश्वसनीयता और सुरक्षा में सुधार कर सकते हैं। हालाँकि, वे उच्च लागत, तकनीकी जटिलता और साइबर सुरक्षा जोखिम जैसी चुनौतियाँ भी पेश करते हैं।
3. भू-राजनीतिक तनाव और व्यापार विवाद
संयुक्त राज्य अमेरिका और चीन जैसे IC व्यवसाय में महत्वपूर्ण खिलाड़ियों के बीच भू-राजनीतिक तनाव और व्यापार संघर्ष तीसरी चुनौती है। यूएस ने हुआवेई और एसएमIC जैसे चीनी व्यवसायों पर दंड और प्रतिबंध लगाए हैं, जो IC निर्माण के लिए अमेरिकी प्रौद्योगिकी और उपकरणों पर निर्भर हैं।चीन ने अपने घरेलू IC उद्योग में भारी निवेश करके और वैकल्पिक आपूर्तिकर्ताओं की तलाश कर जवाब दिया है। संघर्ष ने वैश्विक IC बाजार में अनिश्चितता और अस्थिरता पैदा की है और उद्योग के भीतर सहयोग और नवाचार को प्रभावित कर सकता है।
निष्कर्ष
इंटीग्रेटेड सर्किट (ICs) आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स और आधुनिक उपकरणों के मूलभूत घटक हैं। स्मार्टफोन से लेकर छोटे कैमरों तक हर चीज में जटिल एकीकृत परिपथों के लिए एक सिलिकॉन चिप होती है।जमाव, फोटोरेसिस्ट, लिथोग्राफी, नक़्क़ाशी, आयनीकरण और पैकेजिंग जटिल और सटीक प्रक्रियाएँ हैं जिनका उपयोग एकीकृत परिपथों के निर्माण के लिए किया जाता है। इंटीग्रेटेड सर्किट आधुनिक समय की अर्थव्यवस्था के विकास और एआई, बड़े डेटा वेयरहाउस आदि जैसे व्यापक तकनीकी बुनियादी ढांचे के विकास के लिए महत्वपूर्ण हैं।
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