Silicon Chip Manufacturing. Introduction - சிலிக்கன் சில்லு செய்முறை. அறிமுகம்

இன்று எல்லா இடங்களிலும் மின்னணு சாதனஙகளின் (electronic devices) உபயோகம் பெருகி விட்டது. செல்போன், டி.வி. (தொலைகாட்சி),, கால்குலேட்டர், வாக்மேன், டிஜிட்டல் கைக்கடிகாரம் (digital watch) என பல சாதனங்கள் ஏறக்குறைய அத்தியாவசியப் பொருள்களாகி விட்டன. இவற்றில், செல்போன் மற்றும் கம்ப்யூட்டரின் விலை நாளுக்கு நாள் குறைந்து வருகிறது. மேலும் அதன் திறனும் மிகுந்து வருகிறது.

இரண்டு ஆண்டுகளுக்கு முன் வாங்கிய செல்போன் மாடல் இப்போது கிடைப்பதில்லை. கடைக்காரார், “அது ஓல்டு மாடல் (old model) சார். இப்போ வருவதில்லை. இப்போ புது மாடல் இன்னும் விலை குறைவாக வந்திருக்கிறது. இதுதான் சீப் அண்டு பெஸ்ட் (cheap and best)” என்று கூறுகிறார். நாளுக்கு நாள் அரிசி, பருப்பு பெட்ரோல் முதல் எல்லாப் பொருள்களின் விலையும் ஏறிக்கொண்டே போகும் போது, புது செல்போனின் விலையும், புதிய கம்ப்யூட்டரின் விலையும் மட்டும் குறைவது எப்படி? நாம் இதை கவனிக்க வேண்டும்.

கால்குலேட்டெரிலிருந்து கம்ப்யூட்டர் (கணிப்பொறி) வரை இவை அனைத்திற்கும் உயிர் நாடியாக இருப்பது ஒருங்கிணைந்த சில்லு அல்லது இன்டெக்ரேடட் சிப் (integrated chip) எனப்படும் ஐ.சி. (I.C.). ஆகும். மின்னணு சாதனங்களின் விலை குறையவும், திறன் அதிகரிக்கவும் ஒரே ஒரு காரணம் தான் உண்டு. இந்த சாதனங்களில் உள்ள ஐ.சி. தயாரிக்கும் முறையில் ஒவ்வொரு வருடமும் பல முன்னற்றங்கள் ஏற்படுகின்றன. அதனால் தயாரிப்பில் செலவும் மிச்சம்; தயாரித்த பொருளின் திறனும் அதிகம்.

ஐ.சி. என்றால் என்ன? அதை தயாரிப்பது எப்படி? அதன் முக்கியத்துவம் என்ன என்பதை இந்நூலில் காண்போம். இந்த ஐ.சி. என்பது பல சாதனங்களை ஒன்றாக சேர்த்து, ஒருங்கிணைத்து செய்யப்பட்டது. சுமார் அறுபது ஆண்டுகளுக்கு முன் (1947ல்) டிரான்ஸிஸ்டர் (transistor) என்னும் சாதனத்தை அமெரிக்காவில் ஷாக்லி (Shockly), பார்டீன் (Bardeen), பிராட்டெய்ன் (Brattain) என்னும் விஞ்ஞானிகள் கண்டு பிடித்தனர் டிரான்ஸிஸ்டர் என்பது ஒரு மின் ஸ்விச் மாதிரி. அதை ஆன் (On) அல்லது ஆஃப் (Off) செய்யலாம்

(குறிப்பு: டிரான்ஸிஸ்டர் என்றால் உடனே பாக்கெட் ரேடியோ என்று நினைக்க வேண்டாம்! பல வருடங்களுக்கு முன், இது போன்ற பல டிரான்ஸிஸ்டர் சாதனங்களை வைத்து செய்யப்பட்ட சிறிய பாக்கெட் ரேடியோ நன்றாக விற்பனையாகி பிரபலமானது. அவை “டிரான்ஸிஸ்டர் ரேடியோ” என அழைக்கப்பட்டு, பின் சுருக்கமாக “டிரான்ஸிஸ்டர்” என அழைக்கப்படுகின்றன.

அக்காலத்தில் டிரான்ஸிஸ்டர் வருவதற்கு முன், ரேடியோக்கள், ஏறக்குறைய இப்போதுள்ள டி.வி. போல பெரிதாகவும் கனமாகவும் இருக்கும். அவை ‘வேகுவம் ட்யூப்” (vacuum tube) எனப்படும் குறைவழுத்த குழாய்களை வைத்து தயாரிக்கப்பட்டன. அவை கனமாக இருப்பதோடு, அதிக அளவு மின்சாரத்தையும் உபயோகம் செய்யும். அவற்றை சாதாரண பேட்டரி செல்(battery cell) வைத்து உபயோகிக்க முடியாது.)

இந்த டிரான்ஸிஸ்டர்களை, தனித்தனியாக செய்து பின்னர் மின்சாரக் கம்பிகள் (electrical wires) மூலம் இணைத்து ”சுற்று சாதனங்கள்” எனப்படும் சர்க்யூட் டிவைஸஸ் (circuit devices) செய்யப்பட்டன. இவ்வாறு செய்யும் பொழுது, அதிக அளவில் உற்பத்தி செய்ய முடியவில்லை. 1957ல் முதன் முதலாக ஒரே சமயத்தில் ஐந்து டிரான்ஸிஸ்டர்கள் சேர்த்து ஜேக் கில்பி (Jack Kilby) என்ற அமெரிக்க விஞ்ஞானி ஐ.சி.யை தயாரித்தார்.பல டிரான்ஸிஸ்டர்களை சேர்த்து ஒரே சாதனித்தில் தயார் செய்வதால் இந்த வகை சாதனம், ஒருங்கிணைந்த சில்லு அல்லது இன்டெக்ரேடட் சிப் (integrated chip) அல்லது ஐ.சி. (i.c.) என அழைக்கப்படுகிறது. இந்த செய்முறையை, ராபர்ட் நோய்ஸ் (Robert Noyce) என்பவர், இன்னும் மேம்படுத்தினார்(improved). தற்போது ஒரு கோடிக்கும் மேற்பட்ட டிரான்ஸிஸ்டர்கள் ஒரு ஐ.சி.யில் தயாரிக்கப்படுகின்றன. இம்முறையில், அதிக உற்பத்தித் திறனை எட்ட முடிகிறது.

எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு செய்தித்தாளை அச்சிடும் போது, ஒவ்வொரு எழுத்தாக அச்சிட்டால், மிகச் சில பிரதிகளை மட்டுமே அச்சிட முடியும். ஆனால், எல்லா எழுத்துக்களையும் கோர்த்து, ஒவ்வொரு பக்கமாக அச்சிட்டால், குறைந்த நேரத்தில் பல பிரதிகளை அச்சிடலாம்

இவை பார்ப்பதற்கு சிறிய துணுக்கு போல் இருப்பதால் சில்லு அல்லது சிப் (chip) என அழைக்கப்படுகின்றன. பெரும்பாலான சில்லுக்கள் சிலிக்கன் (silicon) என்னும் தனிமத்தில் (element) தயாரிக்கப்படுவதால், சிலிக்கன் சில்லு (silicon chip) எனப்படுகின்றன. இப்போது பேச்சு வழக்கில் சிலிக்கன் சில்லு என்பதும் ஐ.சி. என்பதும் ஒரே அர்த்தத்தில் உபயோகப்படுத்தப் படுகின்றன.

ஒரு சில்லு என்பது சாதாரணமாக சுமார் 5 மி.மீ. நீளமும், 5 மி.மீ. அகலமும், 0.5 மி.மீ. தடிமனும் (உயரமும்) இருக்கும். மிகப் பெரிய சில்லு என்பது, தற்சமயம் 25 மி.மீ. நீளமும், 25 மி.மீ. அகலமும் 1 மி.மீ. தடிமனும் இருக்கும். இவற்றைப் பேக்கேஜ் (package) செய்த பின்னர், நீள அகலங்கள் சற்று அதிகமாகும். தடிமன் சுமார் 4 மி.மீ. ஆகும். சில்லு என்பது எளிதில் உடைந்துவிடும் பொருள். அதைப் பாதுகாக்கவே பேக்கேஜ் செய்யப் படுகிறது.

ஒரு டிரான்ஸிஸ்டர் என்பது என்ன அளவில் இருக்கும்? தற்சமயம் (2008ல்) தயாரிக்கப்படும் டிரான்ஸிஸ்டர்கள் சுமார் 0.0004 மி.மீ. அகலமும், 0.0005 மி.மீ. நீளமும், 0.0001 மி.மீ. உயரமும் இருக்கும். நாம் எப்படி துணியை அளக்க மீட்டர் என்றும், ஊருக்கு இடையே உள்ள தூரத்தை அளக்க கிலோ மீட்டர் என்றும் வசதிக்கு ஏற்ப வெவ்வேறு அளவு முறைகளை உபயோகிக்கிறோமோ, அதைப் போல, டிரன்ஸிஸ்டரை அளக்க தனி அளவு முறை உண்டு.

ஒரு மில்லி மீட்டரில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு, ஒரு மைக்ரோ மீட்டர் (micro meter) அல்லது மைக்ரான் (micron) எனப்படும். ஒரு மைக்ரோ மீட்டரில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு, ஒரு நேனோ மீட்டர் (nano meter) அல்லது நே.மீ. (nm) எனப்படும். இப்போது எதற்கெடுத்தாலும் அறிவியல் துறையில் ‘நேனோ' என்று தான் சொல்கிறார்கள். அவ்வளவு ஏன், டாடாவின் புதிய காரின் பெயர் கூட நேனோதான்.

அந்த நேனோ அளவு முறையில், ஒரு டிரன்ஸிஸ்டர் சுமார் 400 நே.மீ. அகலமும் 500 நே.மீ. நீளமும், 100 நே.மீ. உயரமும் இருக்கும். இது கண்ணுக்குத் தெரியாத மிகச் சிறிய அளவாகும். பூதக்கண்ணாடி வைத்து பெரிதாக்கிப் பார்த்தாலும் இவை தெரியாது. இவற்றைக் காண சில விசேஷ கருவிகள் (special instruments) தேவைப்படும்.

முதன் முதலில் 1947ல் உருவாக்கப்பட்ட டிரான்ஸிஸ்டர் சில மி.மீ. நீளம், அகலம் மற்றும் உயரம் இருக்கும். தொழில்நுட்ப முன்னேற்றத்தினால் அவற்றை இப்போது சிறியதாகச் செய்ய முடிகிறது. அதனால், பல கோடி டிரான்ஸிஸ்டர்களையும் ஒரு சில்லில் செய்ய முடிகிறது.

மிகச் சிறிய அளவிலான டிரான்ஸிஸ்டர் செய்ய, மிகச் சிறந்த தொழில்நுட்பம் தேவைப்பட்கிறது. இந்தத் துறையில் தற்போது இந்தியாவில் உள்ள தொழில்நுட்பம், உலகத்தரத்திற்கு ஈடாக இல்லை என்பதே உண்மை. இந்த ஐ.சி. களை லாபகரமாக செய்ய வேண்டும் என்றால், நிறைய முதலீடும், தடையில்லாத மின்சாரமும் (continuous power supply) தண்ணீரும், தொழில்நுட்ப வல்லுனர்களும் தேவை.

ஒரு ஐ.சி. தொழிற்சாலை தொடங்க சுமார் 4,000 கோடி ரூபாய் (ஒரு பில்லியன் அமெரிக்கன் டாலர்) தேவைப்படும். ஏனெனில் இதற்கு பல விசேஷ கருவிகள் தேவை. ஒவ்வொரு கருவியும் குறைந்தது 4 அல்லது 5 கோடி ரூபாய் (ஒரு மில்லியன் அமெரிக்கன் டாலர்) விலை இருக்கும்.


முதன்முறையாக ஒர் புதிய சில்லை வடிவமைத்து (டிஸைன் செய்து) தயாரித்தால், முதல் மாதம் நூற்றுக்கு ஒரிரண்டு சில்லுக்கள் தான் சரியாக வேலை செய்யும். தேர்ச்சி பெறாத (failed) சில்லை சோதித்து, தயாரிப்பு முறையில் ( production process) முன்னேற்றம் (improvement) கொண்டு வர ஆறு மாதம் முதல் ஒரு ஆண்டு வரை பிடிக்கும். அதன் பின் நூற்றுக்கு அறுபது அல்லது எழுபது சிப் வேலை செய்யும். இது பெரும்பாலான சில்லுக்களுக்கு பொருந்தும்.

இவ்வாறு பரிசோதனை செய்வதற்கும் தேவையான இயந்திரங்கள் பல கோடி மதிப்பை எட்டும். ஒவ்வொரு சில்லையும் சோதிக்க சில நிமடங்கள் ஆகும். சோதனையில் தேர்ச்சி பெற்ற சில்லுக்களை packaging என்ற பகுதிக்கு அனுப்பி அதை நன்றாக பேக் செய்து விற்பனைக்கு அனுப்பப்படும்.

கடைகளில் இண்டெல் பென்டியம்(Intel Pentium) என்றும் ஏ-எம்-டீ ஏத்லான்(AMD Athlon) என்றும் விற்கப்படுபவை இவ்வாறு பேக் செய்யப்பட்ட சில்லுக்கள் தான். அவற்றை கணிப்பொறி தயாரிக்கும் நிறுவனங்கள் வாங்கி மற்ற பாகங்களுடன் இணைத்து (assemble) சில்லறை விற்பனைக்கு அனுப்பும்.

இவ்வாறு சில்லுக்களை வணிக ரீதியாக (commercial) தயாரிக்கும் தொழில் நுட்பம் சில நாடுகளில் சில நிறுவனங்களிடம் மட்டுமே உண்டு. அமெரிக்காவில் Intel, IBM, AMD, Micron, TI, LSI, Motorala ஜப்பானில், Sony, Toshiba, Seiko, Panasonic, தாய்வானில், TSMC, UMC, தென் கொரியாவில் Samsung, Huyndai, ஜெர்மனியில் Infenion, சிங்கப்பூரில் Chartered Semiconductor, இஸ்ரேலில் Tower என ஒரு சில நிறுவனங்களே உள்ளன.

கம்ப்யூட்டர் விற்கும் நிறுவனங்களான Dell, HCL, HP, Acer எனப் பல நிறுவங்களும் எந்த பாகத்தையும் தயாரிப்பதில்லை. எல்லாவற்றையும் பல்வேறு இடங்களில் வாங்கி இணைத்து, நன்கு சோதித்து, தத்தம் நிறுவனங்களின் பெயரை முத்திரையிட்டு விற்பனைக்கு அனுப்புகின்றன. அதைப்போலவே, பிரபலமான Nokia செல்போன்களுக்கான ஐ.சி.க்கள் வெளி நிறுவனங்களில் இருந்து வாங்கப் படுகிறது. அதற்கான வடிவமைப்பு (டிஸைன்) மட்டுமே நோக்கியாவில் செய்யப்படும்.

இவ்வாறு வடிவமைப்பு மட்டும் செய்யும் நிறுவனங்களை ஃபேப்லெஸ் (fabless) அல்லது ‘தயாரிப்பில்லாத’ நிறுவனம் என்று சொல்வார்கள். வடிவமைப்பு செய்யாமல், மற்றவர்கள் வடிவமைத்த சில்லுக்களை, தயாரிப்பு மட்டும் செய்யும் நிறுவனங்கள், ஃபௌண்டரி (foundary) என்று சொல்லுவார்கள். Intel போன்ற நிறுவனங்கள் வடிவமைப்பு மற்றும் தயாரித்தல் ஆகிய இரண்டையும் செய்கின்றன. இவை, ஐ.டீ.எம். (IDM- Integrated Device Manufacturer) எனப்படும்.

அடுத்து டிரான்ஸிஸ்டர் என்றால் என்ன, அதைத் தயாரிப்பது எப்படி, அதற்கு தேவையான வழிமுறைகளின் விவரங்கள் என்ன, பல டிரான்ஸிஸ்டர்கள் கொண்ட ஐ.சி. தயாரிப்பதில் என்ன சிக்கல்கள் வரும், அவற்றை எதிர்கொள்ளுவது எப்படி ஆகியவற்றின் விவரங்களைக் காண்போம்.