चीनी शोधकर्ताओं ने फोटोरेज़िस्ट अणुओं का मानचित्रण किया, उन्नत चिपों में दोष 99 प्रतिशत घटाने का दावा

फोटोरेज़िस्ट की यह नई जानकारी क्यों अहम है

चीनी शोधकर्ताओं का कहना है कि उन्होंने चिप लिथोग्राफी में इस्तेमाल होने वाली तरल फिल्मों के भीतर फोटोरेज़िस्ट अणुओं के व्यवहार को सीधे देखा और फिर इस जानकारी के आधार पर कारखानों में इस्तेमाल के लिए ऐसा समाधान विकसित किया जिससे दोषों में भारी कमी आती है। पेकिंग विश्वविद्यालय की एक टीम और औद्योगिक साझेदारों के नेतृत्व में किया गया यह अध्ययन 30 सितंबर, 2025 को Nature Communications में प्रकाशित हुआ। टीम के अनुसार, उसकी प्रक्रिया ने वास्तविक विनिर्माण परिस्थितियों में 12 इंच के वेफरों पर पॉलिमर अवशेषों को 99 प्रतिशत तक घटा दिया। इससे 7 nm और उससे छोटे प्रोसेस नोड पर उत्पादन क्षमता बढ़ सकती है।

फोटोरेज़िस्ट प्रकाश-संवेदी परत है, जो सिलिकॉन वेफर पर ट्रांजिस्टर और वायरिंग के पैटर्न तय करती है। फोटोलिथोग्राफी के दौरान एक स्कैनर सर्किट की छवि को रेज़िस्ट पर प्रक्षेपित करता है। प्रकाश के संपर्क में आए हिस्सों की घुलनशीलता बदल जाती है, फिर डेवलपिंग और सफाई से पैटर्न उभरता है। पीछे रह गए सूक्ष्म अवशेष या मैल लाइनों को शॉर्ट कर सकते हैं, संपर्क तोड़ सकते हैं और बाद के चरणों में खराबी पैदा कर सकते हैं। उन्नत नोड पर, जहां लाइनें संकरी और उनके बीच की जगह कम होती है, गलत जगह मौजूद अणुओं का छोटा-सा समूह भी चिप को खराब कर सकता है।

चीन खासकर उच्च गुणवत्ता वाले फोटोरेज़िस्ट के लिए आयात पर काफी निर्भर है। यह एक वजह है कि घरेलू फैब सबसे उन्नत नोड पर उत्पादन क्षमता बढ़ाने में संघर्ष कर रहे हैं। ASML के अत्याधुनिक एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट स्कैनरों की 2019 से चीनी बाजार में बिक्री पर रोक है। ऐसे में घरेलू चिप निर्माता 7 nm श्रेणी की विशेषताएं हासिल करने के लिए डीप अल्ट्रावायलेट पैटर्निंग के कई दौर इस्तेमाल कर रहे हैं। इससे रेज़िस्ट की भूमिका बढ़ जाती है, क्योंकि दर्जनों चरणों में वेफर को अधिक बार प्रकाश के संपर्क में लाया जाता है, डेवलप किया जाता है और गीली सफाई की जाती है। यादृच्छिक दोषों में कोई भी कमी हर वेफर पर काम करने वाली चिपों की संख्या बढ़ा सकती है।

शोधकर्ताओं ने वास्तव में क्या किया

पेकिंग विश्वविद्यालय की टीम ने क्रायो इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी का इस्तेमाल फोटोरेज़िस्ट फिल्मों पर तब किया, जब पॉलिमर अपने मूल तरल वातावरण में थे। इस इमेजिंग विधि में पतले नमूने को बहुत तेजी से जमा दिया जाता है, जिससे अणु अपनी जगह पर स्थिर हो जाते हैं। इसके बाद ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से अलग-अलग कोणों पर झुकी हुई छवियों की एक शृंखला ली जाती है। सॉफ्टवेयर इन छवियों से नैनोमीटर स्तर के रिज़ॉल्यूशन वाला त्रि-आयामी मानचित्र बनाता है। इस तरीके से शोधकर्ताओं ने देखा कि डेवलपिंग और रिंसिंग के दौरान फिल्म के भीतर और गैस-तरल सतह पर रेज़िस्ट पॉलिमर किस तरह व्यवस्थित और एक-दूसरे में उलझते हैं।

इन छवियों और प्रक्रिया से जुड़े प्रयोगों ने अवशेषों के एक छिपे स्रोत की ओर इशारा किया। लंबी श्रृंखलाएं फिल्म की ऊपरी सतह पर, सीमा के पास, आपस में गांठ बना सकती हैं और फिर रिंसिंग व सुखाने के दौरान पैटर्न की गहराइयों में फंस सकती हैं। मानचित्रों के आधार पर टीम ने सतह पर पॉलिमर के उलझाव को रोकने की एक प्रक्रिया तैयार की। उनका कहना है कि 12 इंच के वेफरों पर औद्योगिक परिस्थितियों में इस बदलाव से अवशेषों से जुड़े लगभग सभी दोष खत्म हो गए।

जीवविज्ञान से चिप निर्माण तक: क्रायो इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी क्या है

क्रायो इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी, जिसे अक्सर क्रायो ET कहा जाता है, संरचनात्मक जीवविज्ञान में प्रोटीन और कोशिकाओं को उनकी प्राकृतिक आकृतियों में देखने के लिए विकसित हुई। नमूने को विट्रिफाई किया जाता है, यानी पानी और विलायक बिना क्रिस्टल बनाए कांच जैसी अवस्था में जम जाते हैं, जो संरचना को बिगाड़ सकते हैं। इसके बाद इलेक्ट्रॉन छवियों की झुकी हुई शृंखला को जोड़कर त्रि-आयामी आयतन बनाया जाता है। इसका मुख्य लाभ यह है कि अणु अपनी जगह पर सुरक्षित रहते हैं, उन्हें सुखाया या रंगा नहीं जाता, जिससे नाजुक संरचनाएं खिसक या क्षतिग्रस्त हो सकती हैं। क्रायो ET को अर्धचालक पदार्थों पर लागू करने से शोधकर्ता उन पॉलिमरों को देख सकते हैं जो घोल में आम तौर पर लगातार बहते और पुनर्व्यवस्थित होते रहते हैं। इससे पहली बार उन्हें दोष पैदा करने वाले नेटवर्क बनाते हुए पकड़ा जा सकता है।

पॉलिमर का उलझाव दोष क्यों पैदा करता है

डेवलपिंग के दौरान रेज़िस्ट के प्रकाश-संपर्क वाले हिस्से घुल जाते हैं, जबकि बिना प्रकाश वाले हिस्से नीचे की फिल्म की रक्षा के लिए बचे रहते हैं। दोनों हिस्सों में फैली उलझी हुई श्रृंखलाएं डेवलपिंग के बाद पतली परत छोड़ सकती हैं। इस दोष को अक्सर स्कमिंग कहा जाता है। खांचों और संपर्क छेदों में गांठें फंसकर रिंसिंग के बाद भी रह सकती हैं। ये अवशेष बाद में एचिंग या धातु जमाव में बाधा डालते हैं। ऐसे दोष उत्पादन क्षमता को बुरी तरह प्रभावित करते हैं। वे लाइन किनारों की खुरदराहट बढ़ाते हैं, लाइनों के बीच सूक्ष्म पुल बनाते हैं और दोबारा काम करने की जरूरत पैदा करते हैं। अगर बहुत-सी विशेषताएं प्रभावित हों, तो वेफर को खारिज करना पड़ता है। ज्यामिति जितनी छोटी होती है, समस्या उतनी गंभीर होती जाती है, क्योंकि कुछ नैनोमीटर अतिरिक्त पदार्थ भी अंतराल बंद कर सकता है या महत्वपूर्ण आयाम बदल सकता है।

उन्नत नोड पर उत्पादन क्षमता कैसे बदल सकती है

उत्पादन क्षमता से आशय वेफर पर पैटर्न की गई कुल चिपों में से उन चिपों के अनुपात से है, जो फैब के सभी चरण पूरे करके अच्छी हालत में निकलती हैं। 7 nm और उससे छोटे नोड पर आधुनिक सिस्टम-ऑन-चिप में सैकड़ों प्रक्रिया चरणों के साथ अरबों ट्रांजिस्टर हो सकते हैं। यादृच्छिक दोष तेजी से जुड़ते जाते हैं। अगर रेज़िस्ट में छोटा-सा बदलाव कई परतों में अवशेषों के आम स्रोत को खत्म कर दे, तो पूरी प्रक्रिया में उसका असर कई गुना हो सकता है। इससे अंतिम उत्पादन क्षमता कई प्रतिशत अंक बढ़ सकती है। फाउंड्री के अर्थशास्त्र में यह हर अच्छी चिप की लागत में बड़ी कमी है।

रेज़िस्ट का व्यवहार केवल प्रकाश-संपर्क और डेवलपिंग तक सीमित नहीं है। एचिंग में चयनात्मकता, प्लाज़्मा से होने वाली क्षति और गीली सफाई, सभी इस बात पर निर्भर करते हैं कि पॉलिमर नेटवर्क कैसे बनता और टूटता है। शोध दल का कहना है कि लिथोग्राफी में अवशेष घटाने वाला वही सतह नियंत्रण एचिंग और सफाई के दौरान आगे पहुंचने वाले दोषों को भी कम करता है। इससे महत्वपूर्ण आयाम और लाइन की खुरदराहट स्थिर रखने में मदद मिलेगी, जिससे उपकरणों के प्रदर्शन और उनमें होने वाले बदलावों पर बेहतर नियंत्रण हो सकेगा।

दोबारा काम के कम चक्र, हर वेफर पर अधिक अच्छी चिपें

फाउंड्रियां अक्सर उत्पादन क्षमता बचाने के लिए वेफरों को सफाई या मरम्मत की प्रक्रियाओं से दोबारा गुजारती हैं। हर चक्र से समय, लागत और जोखिम बढ़ते हैं। अगर अवशेष 99 प्रतिशत घटते हैं, तो अतिरिक्त चरणों की जरूरत कम हो जाती है। इससे उपकरणों की क्षमता दूसरे कामों के लिए उपलब्ध होती है, प्रक्रिया का समय घटता है और रसायनों की खपत कम होती है। ग्राहकों के लिए, छिपे हुए दोष कम होने का मतलब है कि चिपें बर्न-इन परीक्षण और वास्तविक उपयोग के दौरान अधिक भरोसेमंद होंगी। चिप डिजाइनरों के लिए, लाइनों की चौड़ाई और संपर्कों में कम भिन्नता से समय और बिजली की खपत का अनुमान अधिक सटीक हो सकेगा।

चीन की चिप रणनीति में इसकी जगह

सामग्री और लिथोग्राफी, विदेशी आपूर्तिकर्ताओं पर निर्भरता घटाने के चीन के प्रयासों के केंद्र में हैं। फोटोरेज़िस्ट इस मामले में एक स्पष्ट कमजोर कड़ी है। घरेलू आपूर्तिकर्ताओं ने KrF और ArF उपकरणों के लिए मध्यम श्रेणी के उत्पादों में प्रगति की है, लेकिन उच्च गुणवत्ता वाले उत्पादों पर अब भी जापान, अमेरिका और दक्षिण कोरिया की कंपनियों का दबदबा है। उद्योग के अनुमानों के अनुसार, चीन का फोटोरेज़िस्ट बाजार 2024 में करीब 11.4 अरब युआन का था और 2025 में भी इसके बढ़ने की उम्मीद है। पिछले साल फोटोरेज़िस्ट की वैश्विक मांग का मूल्य करीब 2.7 अरब डॉलर था, जो 2031 तक 4.5 अरब डॉलर तक पहुंच सकता है। इसकी वजह परतों की बढ़ती संख्या और डिजाइन नियमों का अधिक सख्त होना है।

नीति निर्माताओं ने नेशनल इंटीग्रेटेड सर्किट इंडस्ट्री इन्वेस्टमेंट फंड के सबसे नए वित्तपोषण दौर में सामग्री को प्राथमिकता दी है। विश्लेषकों के अनुसार, तीसरे चरण में रसायनों, रेज़िस्ट और संबंधित प्रक्रियाओं के लिए 50 अरब युआन से अधिक का प्रावधान है। उपकरणों और मशीनरी में भी निवेश किया जा रहा है। साझा नियम तय करना इस प्रयास का एक हिस्सा है। चीन के मानकीकरण प्रशासन ने एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट फोटोरेज़िस्ट के लिए राष्ट्रीय परीक्षण विनिर्देश जारी किया है। समान परीक्षण विधियों से विश्वविद्यालय और कंपनियां नतीजों की तुलना कर सकती हैं, आपूर्तिकर्ताओं को मान्यता दे सकती हैं और प्रायोगिक विनिर्माण की तैयारी कर सकती हैं।

विश्वविद्यालय और कंपनियां नई सामग्री विकसित कर रहे हैं

चीनी विश्वविद्यालय और स्टार्टअप भी एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट के दौर के लिए नए रासायनिक पदार्थ विकसित कर रहे हैं। जुलाई में सिंघुआ विश्वविद्यालय की एक टीम ने पॉलीटेल्यूरॉक्सेन रेज़िस्ट की जानकारी दी। इसमें 13.5 nm पर अवशोषण बढ़ाने के लिए पॉलिमर की मुख्य श्रृंखला में टेल्यूरियम परमाणु जोड़े गए हैं। प्रकाश के संपर्क में आने पर Te O बंधन अधिक आसानी से टूटता है, जिससे संवेदनशीलता बढ़ सकती है। साथ ही, कम आणविक भार से रिज़ॉल्यूशन बेहतर हो सकता है। अगर इस सामग्री का बड़े पैमाने पर उत्पादन संभव हुआ, तो यह संवेदनशीलता, लाइन की खुरदुराहट और गैस उत्सर्जन के बीच बेहतर संतुलन के साथ एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट पैटर्निंग का घरेलू विकल्प दे सकती है।

कॉर्पोरेट क्षेत्र में, SiCarrier की एक सामग्री इकाई ने धातु-क्लस्टर रेज़िस्ट पेश किया। पेटेंट विवरण के अनुसार यह टिन ऑक्साइड क्लस्टरों पर आधारित है और 3 nm से 50 nm तक पैटर्निंग कर सकता है। इन दावों की फाउंड्री में स्वतंत्र पुष्टि जरूरी है, लेकिन वे एक व्यापक रुझान की ओर इशारा करते हैं। घरेलू उपकरण निर्माता लिथोग्राफी के विकल्प बढ़ा रहे हैं और चीनी कंपनियां रेज़िस्ट की दौड़ में उतर रही हैं। शंघाई माइक्रो इलेक्ट्रॉनिक्स इक्विपमेंट की एक नई स्पिनऑफ कंपनी ने कंपाउंड अर्धचालकों के लिए स्टेपर, लेज़र एनीलिंग सिस्टम और निरीक्षण उपकरण प्रदर्शित किए। चीन को अब भी ASML के उन्नत एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट स्कैनरों तक पहुंच नहीं है, लेकिन उसका औद्योगिक तंत्र सामग्री, मापन और डिजाइन सॉफ्टवेयर की कमियां पूरी करने की दिशा में बढ़ रहा है।

यह सफलता क्या है और क्या नहीं

पेकिंग विश्वविद्यालय का नतीजा एक खास समस्या पर केंद्रित है: डेवलपिंग और रिंसिंग के दौरान तरल फिल्मों में तथा हवा से लगी सतह पर रेज़िस्ट पॉलिमरों का व्यवहार। इन संरचनाओं की सीधे इमेजिंग करके और उनके बनने के तरीके में बदलाव करके टीम ने संदूषण के एक आम स्रोत को घटाने का तरीका सुझाया है। यह महत्वपूर्ण है, क्योंकि इससे प्रक्रिया को अनुकूल बनाने में लगने वाला समय और बार-बार परीक्षण की जरूरत घट सकती है। नई नोड शुरू करते समय ये दोनों देरी के आम कारण हैं।

यह सबसे छोटी ज्यामिति हासिल करने के लिए जरूरी अत्याधुनिक स्कैनरों, मास्क और रेज़िस्ट का विकल्प नहीं है। एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट लिथोग्राफी में अवशेषों से परे भी कई चुनौतियां हैं। प्रकाश स्रोत की चमक सीमित है, शॉट नॉइज़ से लाइन के किनारों में यादृच्छिक बदलाव आते हैं और रेज़िस्ट को संवेदनशीलता तथा लाइन की खुरदुराहट और पैटर्न ढहने के जोखिम के बीच संतुलन रखना पड़ता है। मास्क के लिए ऐसे पेलिकल चाहिए जो उच्च ऊर्जा वाले प्रकाश को सह सकें और संदूषण पर नियंत्रण भी कठिन है। सतह पर नियंत्रण से मदद मिलेगी, लेकिन चीनी फैब उन उपकरणों की उपलब्धता से अब भी सीमित रहेंगे जिन्हें वे खरीद या बना सकते हैं।

इन दावों की व्यापक पुष्टि भी जरूरी है। एक वातावरण में मापी गई 99 प्रतिशत की कमी हर रेज़िस्ट या हर परत पर लागू हो, यह जरूरी नहीं। अलग-अलग पैटर्न घनत्व, डेवलपर, रिंसिंग और एचिंग रसायन जटिल तरीकों से एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं। अगला कदम कई फैब और प्रक्रियाओं में इस नतीजे को दोहराना है। साथ ही, उपकरण के स्तर पर ऐसे आंकड़े जुटाने होंगे जो अवशेषों में कमी को अधिक उत्पादन क्षमता और बेहतर विश्वसनीयता से जोड़ें।

शोध और उद्योग के अगले कदम

कई पड़ाव बताएंगे कि क्या यह प्रगति व्यावहारिक रूप से उत्पादन को बदलती है। पहला, स्वतंत्र फैब और सामग्री आपूर्तिकर्ता आम ArF इमर्शन और ड्राई एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट स्टैक पर इस प्रक्रिया का परीक्षण कर सकते हैं और काम करने की प्रक्रिया-सीमाएं प्रकाशित कर सकते हैं। दूसरा, फाउंड्रियां बता सकती हैं कि महत्वपूर्ण परतों पर यह विधि लागू करने से दोबारा काम कितना घटता है और लाइन किनारों की खुरदुराहट तथा महत्वपूर्ण आयामों में बदलाव कितना सुधरता है। तीसरा, उपकरण और रसायन आपूर्तिकर्ता ऐसे सेटिंग और मिश्रण सुझा सकते हैं जो सतह नियंत्रण को इस्तेमाल के लिए तैयार प्रक्रियाओं में शामिल करें, जिन्हें ग्राहक बड़े बदलाव किए बिना अपना सकें।

चीन में नीतिगत संकेत बताते हैं कि फोटोरेज़िस्ट सामग्री में निवेश जारी रहेगा। एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट रेज़िस्ट के लिए राष्ट्रीय परीक्षण मानक से प्रदर्शन की तुलना करना और खेपों को मान्यता देना आसान होना चाहिए। सिंघुआ विश्वविद्यालय में टेल्यूरियम-आधारित पॉलिमर पर काम समेत विश्वविद्यालयों के कार्यक्रम प्रतिभाओं की नई पीढ़ी तैयार करते रहेंगे। कंपनियां सार्वजनिक आयोजनों में स्कैनरों, निरीक्षण प्रणालियों और नए रेज़िस्ट का मिश्रण दिखाने लगी हैं, जो आगे और प्रायोगिक परियोजनाओं का संकेत देता है। चीन से बाहर अमेरिका, यूरोप, जापान और दक्षिण कोरिया की सरकार समर्थित योजनाएं चिप अनुसंधान में अरबों डॉलर लगा रही हैं। फोटोरेज़िस्ट विज्ञान में प्रतिस्पर्धा तेज होने की संभावना है, क्योंकि हर क्षेत्र सामग्री शृंखला के अधिक हिस्से पर नियंत्रण पाने की कोशिश कर रहा है।

मुख्य बिंदु

• पेकिंग विश्वविद्यालय और उसके साझेदारों ने तरल फिल्मों और सतहों पर फोटोरेज़िस्ट अणुओं की इमेजिंग के लिए क्रायो इलेक्ट्रॉन टोमोग्राफी का इस्तेमाल किया। इसके बाद उन्होंने ऐसी प्रक्रिया विकसित की, जिसके बारे में टीम का कहना है कि इससे 12 इंच के वेफरों पर पॉलिमर अवशेष 99 प्रतिशत तक घटे।
• यह शोध 30 सितंबर, 2025 को Nature Communications में प्रकाशित हुआ। इसका लक्ष्य 7 nm और उससे छोटे नोड पर उत्पादन क्षमता में होने वाला नुकसान है, जहां सूक्ष्म अवशेष भी चिपों को खराब कर सकते हैं।
• चीन उच्च गुणवत्ता वाले फोटोरेज़िस्ट के लिए अब भी आयात पर निर्भर है और निर्यात नियंत्रणों के कारण उसे ASML के उन्नत एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट स्कैनरों तक पहुंच नहीं है।
• चीन ने वित्तपोषण और मानकों के जरिए सामग्री क्षेत्र को समर्थन देना शुरू किया है। इनमें एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट फोटोरेज़िस्ट के लिए नया राष्ट्रीय परीक्षण विनिर्देश भी शामिल है।
• सिंघुआ विश्वविद्यालय ने टेल्यूरियम-आधारित एक्सट्रीम अल्ट्रावायलेट रेज़िस्ट की जानकारी दी है। चीनी कंपनियों ने धातु-क्लस्टर रेज़िस्ट और घरेलू लिथोग्राफी उपकरण भी प्रदर्शित किए हैं, हालांकि कई दावों की स्वतंत्र पुष्टि अभी बाकी है।
• यह सफलता रेज़िस्ट की सतह पर होने वाली प्रक्रिया को समझने और नियंत्रित करने में मदद करती है, लेकिन उन्नत स्कैनरों, मास्क और अगली पीढ़ी के रेज़िस्ट की जरूरत खत्म नहीं करती।