जिस रोशनी से छाप रहे हैं, उससे महीन लकीर छापी नहीं जा सकती। चिप उद्योग बीस साल से यही कर रहा है

प्रकाशिकी का एक नियम है, जिससे माइक्रोस्कोप इस्तेमाल करने वाला हर व्यक्ति टकरा चुका है: आप उस रोशनी की तरंगदैर्ध्य से बहुत महीन ब्योरा नहीं देख सकते जिससे देख रहे हैं। उससे छोटी आकृति प्रक्षेपित करने की कोशिश कीजिए और विवर्तन उसे धुँधलाकर लेई बना देता है।

आज के प्रोसेसर के परिपथों में ऐसी आकृतियाँ हैं जो उस रोशनी की तरंगदैर्ध्य से कहीं छोटी हैं जिसने उनमें से ज़्यादातर छापीं — और यह क़रीब बीस साल से चल रहा है। यह भौतिकी में कोई छेद खोजकर नहीं हुआ। यह उस नतीजे को मानने से बार-बार, और हर बार ज़्यादा जटिल ढंग से, इनकार करके हुआ — और यह कैसे हुआ, इसकी कहानी इस समय दुनिया में चल रहे सबसे भारी नतीजों वाले निर्माण-प्रयास की कहानी है।

वह समीकरण जो सब कुछ तय करता है

लिथोग्राफ़ी किसी मास्क — परिपथ का नक़्शा लिए हुए एक पटल — की छवि लेंस से गुज़ारकर उस वेफ़र पर डालती है जिस पर प्रकाश-संवेदी परत चढ़ी है। जहाँ रोशनी पड़ती है वहाँ उस परत की घुलनशीलता बदल जाती है; उसे धो दीजिए और नक़्शा नीचे की सामग्री तक उतर आता है।

इससे कितनी छोटी आकृति बन सकती है, यह एक ही संबंध में बँधा है: सबसे छोटा छपने लायक़ नाप तरंगदैर्ध्य को संख्यात्मक द्वारक से भाग देकर, और फिर एक प्रक्रिया-गुणक से गुणा करके मिलता है, जिसे इंजीनियरिंग एक हद तक ही नीचे धकेल सकती है। यानी घुंडियाँ ठीक तीन हैं, और तीन ही।

संख्यात्मक द्वारक बढ़ाया जा सकता है, पर लेंस डिज़ाइन कठोर भौतिक सीमाओं से टकरा जाता है। प्रक्रिया-गुणक की एक-बार-में-छापने वाली सीमा बहुत पहले छू ली गई थी। बचती है तरंगदैर्ध्य — और उद्योग दशकों तक उसी सीढ़ी से नीचे उतरता रहा: पारे के लैंप की पराबैंगनी रेखाओं से 248 नैनोमीटर तक, और फिर आर्गन फ़्लोराइड लेज़र की 193 नैनोमीटर तक।

फिर वह रुक गया। 193 नैनोमीटर से नीचे वे सामग्रियाँ पारदर्शी रहना बंद कर देती हैं जिनसे लेंस बनते हैं। अगली संभावित तरंगदैर्ध्य के लिए कोई चलने लायक़ प्रकाशिकी थी ही नहीं। और उद्योग क़रीब बीस साल 193 नैनोमीटर पर बैठा रहा, जबकि आकृतियाँ दस गुने से भी ज़्यादा सिकुड़ती चली गईं।

दो दशकों की चालाकियाँ

पहली तरकीब थी इमर्शन। संख्यात्मक द्वारक इस पर निर्भर है कि लेंस और वेफ़र के बीच जो कुछ है उसका अपवर्तनांक क्या है, और हवा का अपवर्तनांक एक है। उस दरार को अत्यंत शुद्ध पानी से भर दीजिए, जिसका अपवर्तनांक क़रीब 1.44 है, और प्रकाश-स्रोत बदले बिना ही प्रभावी तरंगदैर्ध्य लगभग 134 नैनोमीटर पर आ जाती है। करोड़ों डॉलर की मशीन दोबारा इसलिए डिज़ाइन की गई कि वह लेंस के नीचे पानी का एक नियंत्रित तालाब थामे रहे, जबकि वेफ़र उसके नीचे तेज़ रफ़्तार से सरकता रहे — बिना बुलबुले बनाए, बिना एक बूँद पीछे छोड़े। इसने कई पीढ़ियाँ ख़रीद लीं।

दूसरी तरकीब थी मल्टिपल पैटर्निंग, और यही दिखाती है कि हालत कितनी बेचैन हो चुकी थी। अगर आप लकीरें इतने पास नहीं छाप सकते, तो आधी छापिए, वेफ़र पर आगे का काम कीजिए, और बची हुई आधी उनके बीच में छापिए। या छपी हुई लकीर के किनारों पर पतली परत जमाइए, मूल लकीर हटा दीजिए, और दोनों किनारे रहने दीजिए — अब जहाँ एक आकृति थी वहाँ दो हैं, आधी दूरी पर, और वह दूरी प्रकाशिकी ने नहीं, परत की मोटाई ने तय की।

दोनों चलते हैं। और दोनों ठीक उसी जगह महँगे हैं जहाँ मायने रखता है: अब हर परत को कारख़ाने की सबसे महँगी मशीन से दो, तीन या चार बार गुज़रना पड़ता है, हर बार पिछली परत से दो-एक नैनोमीटर के भीतर मिलाना पड़ता है, और हर अतिरिक्त क़दम ख़राबी का एक और मौक़ा है। 2010 के दशक के मध्य तक इस जुगाड़ की लागत ही मुख्य समस्या बनती जा रही थी।

नई तरंगदैर्ध्य को नई तरह की मशीन क्यों चाहिए थी

जवाब यह था कि सीधे अत्यंत पराबैंगनी 13.5 नैनोमीटर पर छलाँग लगाई जाए। दिक़्क़त यह है कि इस रोशनी को लगभग हर चीज़ सोख लेती है — हवा, काँच, पानी, और वह हर सामग्री जिससे आप लेंस बनाना चाहेंगे। इसे अपवर्तित नहीं किया जा सकता। इसे कमरे की हवा में चलने तक नहीं दिया जा सकता।

इसलिए EUV मशीन कोई सुधारी हुई प्रकाशिक व्यवस्था नहीं है; वह अलग ही श्रेणी की चीज़ है। रोशनी का पूरा रास्ता निर्वात में चलता है। हर प्रकाशिक हिस्सा एक दर्पण है, और चूँकि कोई सामग्री अकेले इस रोशनी को काम लायक़ कोण पर परावर्तित नहीं करती, हर दर्पण नैनोमीटर भर मोटी दर्जनों बारी-बारी परतों का सावधानी से गढ़ा गया ढेर है, जो व्यतिकरण से परावर्तन करता है — और तब भी क़रीब दो-तिहाई रोशनी ही लौटाता है। रास्ते में दस ऐसे दर्पण रखिए और जितनी रोशनी बनाई थी उसका छोटा-सा हिस्सा ही वेफ़र तक पहुँचता है। ये दर्पण अब तक बनी सबसे चिकनी चीज़ों में हैं; इन्हें किसी देश जितना बड़ा कर दिया जाए तो उनकी ऊँच-नीच मिलीमीटरों में नपेगी।

रोशनी बनाना और भी विचित्र है। पिघले टिन की बूँदों की धार निर्वात कक्ष में हर सेकंड हज़ारों बार दागी जाती है। हर बूँद पर पहले एक लेज़र स्पंद पड़ता है जो उसे चपटा कर देता है, फिर दूसरा कहीं ज़्यादा ताक़तवर स्पंद, जो उसे इतना गरम प्लाज़्मा बना देता है कि वह 13.5 नैनोमीटर पर विकिरण करे। उस प्लाज़्मा का मलबा कुछ सेंटीमीटर दूर बैठे संग्राहक दर्पण से दूर रखना पड़ता है। और यह सब किसी कारख़ाने में, लगातार, सालों चलता है।

इस तकनीक की हर पीढ़ी में चाल एक ही रही है: भौतिकी ने कहा रुक जाओ, और जवाब यह रहा कि सीमा मानने के बजाय मशीन ही बुनियादी रूप से बदल दी जाए।

जब फ़ोटॉन गिनने लायक़ रह जाएँ

आकृतियाँ सिकुड़ने से ऐसी नाकामी पैदा होती है जो बड़े पैमाने पर होती ही नहीं — और यह अच्छी मिसाल है कि नैनो-स्तर का निर्माण अपने आप में अलग अनुशासन क्यों है।

रोशनी डालना कोई चिकनी बाढ़ नहीं है। वह गिनती के फ़ोटॉनों का बेतरतीब जगहों और समयों पर आना है, और EUV फ़ोटॉन की ऊर्जा ऊँची होती है, इसलिए सही मात्रा में उनकी संख्या अपेक्षाकृत कम रहती है। कुछ नैनोमीटर की आकृति में जितने फ़ोटॉन संयोग से आ गिरते हैं, उनकी संख्या इतनी कम होती है कि सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव मायने रखने लगता है। एक ही वेफ़र पर बिल्कुल एक जैसी दो आकृतियों को महज़ संयोग से नापने लायक़ अलग-अलग मात्रा मिलती है।

नतीजा है स्टोकैस्टिक ख़राबियाँ: वह संपर्क-छिद्र जो खुला ही नहीं, वह लकीर जो बीच से दब गई, या दो अलग रहनी चाहिए लकीरों के बीच बन गया पुल। ये गंदगी या ग़लत मिलान से नहीं होतीं। ये बेतरतीबी से होती हैं, इन्हें पूरी तरह इंजीनियरिंग से हटाया नहीं जा सकता, और सबसे छोटे नापों पर उपज की ये अब प्रमुख चिंता हैं। रोशनी की मात्रा बढ़ाने से ये घटती हैं और मशीन धीमी हो जाती है — यानी रफ़्तार और ख़राबी के बीच सीधा सौदा।

रिज़ॉल्यूशन आधा काम है

एक दूसरी शर्त भी है, जिसकी चर्चा कहीं कम होती है और जो उतनी ही कठिन है। तैयार चिप दर्जनों छपी हुई परतें हैं, और हर परत को नीचे वाली पर आकृति के नाप के छोटे-से अंश के भीतर बैठना है — यानी दो-एक नैनोमीटर की ग़लती-सीमा, 300 मिलीमीटर चौड़े पूरे वेफ़र पर, और वह भी तब जब दो एक्सपोज़र के बीच वेफ़र गरम हुआ है, उस पर परत चढ़ी है, उसकी नक़्क़ाशी और घिसाई हुई है।

इसे ओवरले कहते हैं, और इसीलिए ये मशीनें जितनी प्रकाशिकी हैं उतनी ही सूक्ष्म यांत्रिकी: ऐसे वेफ़र मंच जो तेज़ी से बढ़ते हैं और नैनोमीटर की सटीकता पर ठहरते हैं, व्यतिकरण से स्थिति की नाप, और ऐसे सुधार-मॉडल जो इस बात की भरपाई करें कि पिछली परत छपने के बाद वेफ़र थोड़ा टेढ़ा हो चुका है। पूरी तरह साफ़ छपी आकृति भी दो नैनोमीटर खिसक जाए तो चिप मरी हुई है।

नोड का नाम क्या नहीं है

इस सबसे एक बात निकलती है जिसे साफ़ कहना चाहिए। जब किसी प्रक्रिया को "3 नैनोमीटर" कहा जाता है, तो चिप पर तीन नैनोमीटर की कोई चीज़ नहीं होती। नोड के नाम क़रीब 22 नैनोमीटर वाली पीढ़ी के आसपास किसी भौतिक नाप से मेल खाना बंद कर चुके थे और अब वे असल में उत्पाद-नाम हैं, जो घनत्व तथा प्रदर्शन की एक पीढ़ी बताते हैं। असल में छपे सबसे छोटे नाप इससे काफ़ी बड़े हैं, और घनत्व की बढ़त अब महीन लकीरें छापने से कम, उपकरण की बनावट और पैकेजिंग से ज़्यादा आ रही है।

विद्यार्थियों और शोधकर्ताओं के लिए क्यों मायने रखता है

दुनिया की हर EUV मशीन एक ही निर्माता से आती है, जो कई देशों में बिखरी विशेषज्ञ कंपनियों की आपूर्ति शृंखला से बनती है, और उसका कोई दूसरा स्रोत है ही नहीं। यह एक तथ्य व्यापार नीति, औद्योगिक रणनीति और अर्धचालकों की मौजूदा भू-राजनीति को किसी भी अकेली कंपनी से ज़्यादा आकार देता है — और इसे राजनीतिक तथ्य के बजाय इंजीनियरिंग के तथ्य की तरह समझना चाहिए।

विद्यार्थियों के लिए लिथोग्राफ़ी इस बात का सबसे साफ़ उपलब्ध प्रमाण है कि भौतिकी मुश्किल निर्माण में बनती है। ट्रांजिस्टर की उपकरण-भौतिकी स्नातक स्तर की सामग्री है। सौ अरब ट्रांजिस्टर छापना, हर परत को नैनोमीटरों के भीतर एक-दूसरे से मिलाकर, और ख़राबी की दर इतनी कम रखते हुए कि ज़्यादातर चिप चल जाएँ — असली समस्याएँ वहीं हैं: प्रकाशिकी, प्लाज़्मा भौतिकी, सूक्ष्म यांत्रिकी, सामग्री रसायन, नापजोख और सांख्यिकी, सब एक साथ।

भारत का अर्धचालक कार्यक्रम अग्रिम-पंक्ति की लिथोग्राफ़ी से नहीं, जोड़ने और जाँचने से शुरू होता है, और यह क्रम समझदारी भरा है — पर वही अनुशासन छोटे पैमाने पर भी चलता है। कम रिज़ॉल्यूशन वाली फ़ोटोलिथोग्राफ़ी से ही MEMS सेंसर, पावर डिवाइस, फ़ोटोनिक्स और माइक्रोफ़्लुइडिक चिप बनते हैं, और ये पहुँच के भीतर हैं, काम के हैं और सचमुच कम पढ़ाए जाते हैं। इस क्षेत्र में आने वाले के लिए दिलचस्प सवाल यह नहीं कि भारत 3 नैनोमीटर लॉजिक छापेगा या नहीं। दिलचस्प सवाल यह है कि पैटर्निंग की कोई प्रक्रिया इतनी अच्छी तरह कौन चला सकता है कि तय मानक पर टिकी रहे — और यह हुनर उन सभी इस्तेमालों में साथ चलता है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

कंप्यूटर चिप असल में छपती कैसे है?

नक़्शा लिए मास्क पर रोशनी डालकर उसकी छवि लेंस से गुज़ारकर उस वेफ़र पर डाली जाती है जिस पर प्रकाश-संवेदी परत चढ़ी है। रोशनी पड़ी परत धोकर हटा दी जाती है, नक़्शा नीचे की सामग्री में उकेरा जाता है, और यही चक्र दर्जनों परतों के लिए दोहराया जाता है।

आकृतियाँ इस्तेमाल की गई रोशनी की तरंगदैर्ध्य से छोटी कैसे हो सकती हैं?

भौतिकी के किसी अपवाद से नहीं, जुगाड़ों की शृंखला से: लेंस और वेफ़र के बीच पानी भरकर संख्यात्मक द्वारक बढ़ाना, एक परत को दो या ज़्यादा बार छापना, और छपी लकीर के किनारों पर परत चढ़ाकर आधी दूरी पर आकृतियाँ बना लेना।

EUV लिथोग्राफ़ी को दर्पण और निर्वात क्यों चाहिए?

क्योंकि 13.5 नैनोमीटर की रोशनी हवा, काँच और हर लेंस-सामग्री सोख लेती है, इसलिए न उसे अपवर्तित किया जा सकता है और न वायुमंडल में चलने दिया जा सकता है। पूरा प्रकाशिक रास्ता निर्वात में चलता है और व्यतिकरण से परावर्तन करने वाले बहुपरती दर्पण इस्तेमाल होते हैं।

स्टोकैस्टिक ख़राबियाँ क्या हैं?

ये फ़ोटॉनों के बेतरतीब आने से होने वाली नाकामियाँ हैं। सबसे छोटे नापों पर किसी आकृति पर गिरने वाले फ़ोटॉनों की संख्या इतनी कम होती है कि महज़ संयोग से कोई लकीर दब सकती है या कोई संपर्क-छिद्र खुला ही न रह जाए।

क्या 3 नैनोमीटर चिप में 3 नैनोमीटर की आकृतियाँ होती हैं?

नहीं। नोड के नाम क़रीब 22 नैनोमीटर वाली पीढ़ी के बाद भौतिक नाप बताना बंद कर चुके हैं और अब तकनीक की एक पीढ़ी भर बताते हैं। छपी हुई सबसे छोटी आकृतियाँ इससे काफ़ी बड़ी हैं, और सुधार का बड़ा हिस्सा उपकरण की बनावट तथा पैकेजिंग से आता है।