सिलिकॉन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक सर्किट दिवसेंदिवस सूक्ष्म होत चालली आहेत. टीएसएमसी हे तैवानी उत्पादक तर अश्या सिलिकॉन चिप बनवत आहेत, ज्यात सर्वात लहान घटक केवळ ७ नॅनोमीटर लांबीचा आहे! असे करोडो घटक एका चिपमध्ये असतात. अतिघन इलेक्ट्रॉनिक सर्किट तयार करण्याची प्रक्रिया जटिल असते. अगदी उच्च दर्जाच्या उत्पादन प्रक्रिया वापरात असून सुद्धा, घटक इतके लहान असल्याने ते तयार करताना त्यांच्या लांबीरुंदीत सूक्ष्म फरक पडतातच. त्यामुळे दोन चिपवरचे, किंवा एकाच चिपवरचे वेगवेगळ्या ठिकाणी असलेले घटक एकसारखे नसतात. सर्किटची रचना करताना रचनाकर्त्यांना हे फरक लक्षात घेऊन सर्किट तयार करावे लागते, तरच करोडोंच्या संख्येने तयार होणाऱ्या सर्वच्या सर्व चिप अपेक्षेप्रमाणे काम करतील याची खात्री देता येईल. सर्किटची रचना करताना हे सूक्ष्म फरक लक्षात घेतले जावेत यासाठी तसे प्रतिमान (मॉडेल) तयार करणे अत्यावश्यक आहे.
भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील विद्युत अभियांत्रिकी विभागातील डॉ. अमिता रावत व प्रा. उदयन गांगुली यांनी, आयएमईसी, लूवन, बेल्जियम येथील संशोधकांच्या साथीने, उत्पादनातील फेरफारामुळे इलेक्ट्रॉनिक सर्किटच्या कामगिरीमध्ये होणाऱ्या फरकांचा अंदाज वर्तवणारी त्यांची पूर्वप्रस्तावित पद्धत प्रायोगिक माहितीच्या आधारे विधिग्राह्य केली आहे. भौतिकशास्त्रावर आधारित प्रतिमान वापरून उत्पादन करताना होणाऱ्या फरकांचा अंदाज वर्तवणारे प्रतिमान प्रायोगिक माहितीच्या आधारे विधिग्राह्य करण्याचे कार्य प्रथमच नोंदवले गेले आहे. या पद्धतीने वर्तवलेले बदलांचे अंदाज सर्किटची रचना करण्यासाठी वापरण्यात येणाऱ्या सॉफ्टवेअरशी जोडता येतील, ज्यामुळे अधिक चांगली कामगिरी करू शकणारी सर्किट रचणे शक्य होईल. या प्रकल्पासाठी भारतीय तंत्रज्ञान संस्थेची नॅनो निर्मिती प्रयोगशाळा (नॅनो फॅब्रिकेशन लॅब), भारतीय सरकारचे मानव संसाधन विकास मंत्रालय आणि विज्ञान व तंत्रज्ञान विभाग यांचे आंशिक वित्तसहाय्य लाभले होते.
मॉसफेट (MOSFET) किंवा मेटल-ऑक्साईड-सेमिकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रान्सिस्टर हा इलेक्ट्रॉनिक सर्किटचा मूलभूत घटक असतो. ट्रान्सिस्टरला तीन अग्र असतात, त्यांपैकी दोन अग्रांच्या मध्ये अर्धवाहकाची बनलेली वाहिका असते. अर्धवाहकात डोपण्ट म्हणजे आण्विक अशुद्धी जोडून वाहिकेचा विद्युतरोध नियंत्रित केला जाऊ शकतो. तिसरे अग्र, ज्याला गेट (फाटक) म्हणतात, ते पॉलिसिलिकॉन किंवा धातूचे बनलेले असते व ऑक्साईडचा थर वापरून वाहिकेपासून निरोधित केलेले असते. गेटच्या व्होल्टतेने वाहिकेतून जाणारा विद्युतप्रवाह नियंत्रित करता येतो.
इलेक्ट्रॉनिक चिप तयार करण्याच्या प्रक्रियेत अनेक टप्पे असतात, व त्यात काही त्रुटी येऊ शहतात. वाहिका, गेट, घटकांमधील जोड व सर्किटचे इतर घटक अर्धवाहकाच्या चिपवर अंकित करण्यासाठी अतिनील प्रकाशाचा उपयोग केला जातो. १० नॅनोमीटर पेक्षा लहान घटकांच्या रेषा व त्यांमधील जागा अंकित करताना एक नॅनोमीटरपर्यंत फेरफार झालेला दिसून येतो. डोपण्टचे अणू नेमके वाहिकेत ठेवणे आव्हानात्मक असते. गेटच्या धातूचे नॅनो आकाराचे स्फटिक वेगवेगळ्या दिशांना अभिमुख असतात, त्यामुळे गेटचा धातू व ऑक्साईड यांमधील आण्वीय आंतरपृष्ठांमध्ये फरक येतात. या अनेक स्थानिक भौतिक फेरफारांमुळे ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांत लक्षणीय फेरफार होतो.
“उदाहरणार्थ, धातूच्या थरांमधील बदलांमुळे ज्या व्होल्टतेला ट्रान्सिस्टर विद्युतधारा वाहू लागतो ते मूल्य बदलू शकते,” असे या अभ्यासाच्या प्रथम लेखिका डॉ. अमिता रावत सांगतात.
सर्किटचे मूलभूत घटक जेव्हा इतके सूक्ष्म असतात की त्यांची लांबी-रुंदी अणूच्या आकाराशी तुलना करण्याजोगी असते, तेव्हा लांबी-रुंदीतील थोडेसे फरक सुद्धा लक्षणीय होतात. ह्या फरकांमुळे ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांत फेरफार होतो. रचना व सदृशीकरण (डिझाइन व सिम्यूलेशन) करण्यासाठी व्यावसायिक सॉफ्टवेअर मध्ये ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांमध्ये सरसकट फेरफार गृहित धरून सर्किटच्या कामगिरीचे अनुमान केले जाते. परंतु प्रत्यक्ष फेरफार सरसकट नसतो, त्यामुळे अनुमान चुकीचे असू शकते. ट्रान्सिस्टरचा आकार जेवढा लहान तेवढी त्रुटी जास्त असण्याची शक्यता जास्त.
“आम्ही विशिष्ट उत्पादन पद्धतीसाठी विद्युत गुणधर्म किती व कसे बदलतील याचा भौतिकशास्त्रावर आधारित पद्धत वापरून अंदाज देऊ शकतो, ज्याच्यामुळे सर्किटच्या कामगिरीचे अधिक अचूक अनुमान लावणे शक्य होते. शिवाय उत्पादन पद्धती बदलली असता कामगिरीत येणारे फेरफार कसे बदलू शकतात याचाही अंदाज रचनाकारांना मिळू शकतो,” असे डॉ. रावत म्हणतात.
इलेक्ट्रॉनिक सर्किटच्या कामगिरीवर होणाऱ्या परिणामांचे अनुमान काढण्यासाठी सर्वप्रथम भौतिक गुणधर्मांमध्ये असलेल्या फेरफारांमुळे ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांमध्ये होणाऱ्या फेरफाराचे गणन करणे आवश्यक आहे. त्यासाठी सध्याच्या असलेल्या पद्धतीत, काहीशे ट्रान्सिस्टरच्या संरचनेचा संगणकीय पद्धतीने अभ्यास करून त्यांच्या विद्युत गुणधर्मांमध्ये होत असलेल्या फरकांची नोंद केली जाते. हे सर्व करण्यासाठी महाग सिम्युलेशन सॉफ्टवेअर अनेक तास चालवावे लागते, म्हणजेच ही प्रक्रिया, आवश्यक संगणकीय संसाधने आणि लागणारा वेळ या दोन्हींच्या दृष्टीने खर्चिक आहे. “शिवाय सर्किटची रचना करताना गरजेचे असणारे, संरचनेतील फेरफार विद्युत गुणधर्मांच्या फेरफाराशी जोडणारे सहज-सोपे प्रतिमान या पद्धतीत मिळत नाही,” असे प्रा गांगुली म्हणतात.
“उत्पादनातील फेरफाराचे सैद्धांतिक प्रतिमान तयार करण्याचे काम आमचा गट गेली ९ वर्षे करत आहे. यात तीन विद्यार्थ्यांच्या पीएचडी शोधनिबंधांचा समावेश आहे. आमच्या या प्रवासाबद्दल आयईईई नॅनोटेक्नॉलॉजी मॅगझिन मध्ये आम्ही लिहिले आहे. सदर प्रतिमान प्रयोगाच्या आधारे विधिग्राह्य करण्याचे काम सध्या सुरू आहे,” असे प्रा. गांगुली सांगतात
सदर अभ्यासात, सर्किटचे घटक अंकित करताना रेषांचा असलेला खडबडीतपणा, किंवा धातूचा थर देताना त्याच्या स्फटिकरचनेच्या असलेल्या वेगवेगळ्या दिशा, या व अश्या भौतिक प्राचलांतील बदलांमुळे ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांत होणाऱ्या फेरफाराचे अचूक अनुमान करणारे एक प्रतिमान संशोधकांनी तयार केले. कोणत्याही उत्पादन पद्धतीसाठी वापरता येईल असे हे प्रतिमान आहे. मग ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांत होणाऱ्या फेरफाराची माहिती वापरून त्यांनी ट्रान्सिस्टरचे प्रतिमान तयार केले जे डिझाईन व सिम्युलेशन सॉफ्टवेअरमध्ये वापरले असता फेरफाराची माहिती प्रतिमानातूनच रचना-अभियंत्याला मिळेल. हे वापरून सर्किटची रचना करताना उत्पादन प्रक्रियेतील प्रत्यक्ष फेरफाराचे आकडे मिळत असल्यामुळे सर्किटच्या कामगिरीचा अचूक अंदाज वर्तवणे त्यांना शक्य होईल.
“आमची पद्धत वापरल्याने सर्किटच्या कामगिरीचे अचूक अनुमान (केवळ प्रयोगशाळेतील संशोधनापुरते मर्यादित न राहता) व्यावसायिक सॉफ्टवेअरमध्ये मिळणे देखील शक्य होते , तेही खर्चात फार वाढ न होता !” डॉ रावत म्हणतात.
पुढे डॉ. रावत सांगतात, “सर्किटची कामगिरी सुधारण्याबरोबरच, आमची पद्धत उत्पादकांना त्यांच्या उत्पादन पद्धतीत सुधारणा करण्याच्या दृष्टीनेसुद्धा माहिती उपलब्ध करून देते.” उत्पादन करताना कुठले प्राचल कसे बदलले तर अपेक्षित भौतिक गुणधर्म मिळतील ही माहिती उत्पादन प्रक्रिया ठरवणाऱ्या अभियंत्याला उपलब्ध असते. “सर्किट रचनाकार आणि उत्पादक यांच्यामध्ये जणू आम्ही सेतू बांधला आहे,” असे डॉ रावत म्हणतात.
सदर अभ्यासात संशोकांनी त्यांच्या प्रतिमानाचा उपयोग १४ नॅनोमीटर तंत्रज्ञान प्रक्रियेसाठी भौतिक प्राचलांमधील फेरफाराचे अंदाज वर्तवण्यासाठी केला. प्रतिमानाने वर्तवलेल्या मूल्यांची तुलना प्रयोगांद्वारे मोजलेल्या प्रत्यक्ष फेरफाराच्या मूल्यांशी केली असता दोन्ही मूल्ये जुळत होती. त्यानंतर संशोधकांनी ट्रान्सिस्टरच्या विद्युत गुणधर्मांच्या फेरफाराचे अनुमान केले. प्रयोगांतून मोजलेल्या २५० ट्रान्सिस्टरच्या पुंजातील फेरफारांशी हे अनुमान जुळत असल्याचे दिसून आले. फेरफार घडण्यासाठी सर्वात अनुकूल व सर्वात प्रतिकूल स्थितींमधील त्रुटी स्वीकार्य मर्यादेत असलेल्या आढळून आल्या.
“प्रयोगांच्या आधारे इतकी सविस्तर विधीग्राह्यता केल्याची नोंद यापूर्वी झालेली नाही,” असे डॉ. रावत सांगतात.
डिझाइन सॉफ्टवेअर मध्ये समाविष्ट करता येईल अश्या तंत्रज्ञान पॅकेजच्या (टेक्नॉलॉजी पॅकेज) स्वरूपात सदर पद्धती उपलब्ध करून देण्याची संशोधकांची योजना आहे.
“उत्पादन तंत्रज्ञानाची अद्ययावत माहिती मिळवण्यासाठी आम्हाला उत्पादकांच्या साथीने काम करणे आवश्यक असेल. विशिष्ट उत्पादन पद्धतीसाठी आम्ही पॅकेज करू व ते उत्पादकांकडून तपासून घेऊ शकू. (आमची पद्धती) औद्योगिक मानक बनू शकते,”असे डॉ रावत सांगतात.