அயனி பதித்தலும் 2. ஆக்சிஜனேற்றமும். Ion Implantation -2 and Oxygenation

(அயனி பதித்தலின் தொடர்ச்சி). வேஃபரில் B⁺ அயனி சேர்ந்ததும் பாஸிடிவ் மின்னூட்டத்தை(positive charge) சமன்படுத்த (neutralize) வேஃபரின் பின்புறத்திலிருந்து எலக்ட்ரான்கள் அனுப்பப்படும். நாம் எவ்வளவு எலக்ட்ரான்களை அனுப்புகிறோம் என்பதை நாம் செலுத்தும் மின்சாரத்தின் அளவின் மூலம் அறிந்து கொள்ளலாம். இதன் மூலம் எவ்வளவு போரான் வேஃபரில் சேர்க்கப்பட்டு இருக்கின்றது என்பதை துல்லியமாக அறிந்து கொள்ளலாம்.

அயனி பதித்தலில் போரான் அயனிகளை நான்காவது கட்ட முடிவில் திருப்பி விடக் காரணம் என்ன ? நாம் சேர்க்கும் மாசுக்களின் அளவை வேஃபரின் பின்புறத்தில் சேர்க்கும் எலக்ட்ரான்களின் அளவைக் கொண்டே கணக்கிடுகிறோம். போரான் அணுவை சேர்த்தால் அதை சமன்செய்ய வேண்டியதில்லை. அதாவது எலக்ட்ரான் சேர்க்க வேண்டியதில்லை. அதனால் நாம் வேஃபரில் சேரும் மாசுக்களின் அளவை தவறாக மதிப்பிடுவோம். அதைத் தவிர்க்கவே நாம் போரான் அயனிகளைத் திருப்பி, அவை மட்டுமே வேஃபரில் விழும்படி செய்கிறோம்.

இந்த முறையில் வேகமாக வரும் அயனி, வேஃபரில் இருக்கும் சிலிக்கன் அணுக்கள் மீது ‘ முட்டி மோதி’ (collide) உள்ளே செல்லும். ஒரு அயனி பல சிலிக்கன் அணுக்கள் மேல் மோதும்பொழுது வேகம் படிப்படியாகக் குறைந்து கடைசியில் நின்று விடும். எவ்வளவு தூரம் (ஆழம்) சென்று நிற்கும் என்பது அயனி வரும் வேகத்தைப் பொருத்தது. எனவே, போரான் எவ்வளவு ஆழம் செல்லும் என்பதை போரான் அயனிகளின் வேகத்தை வைத்து கணிக்கலாம். இவ்வாறு அயனி பதித்தலில் நாம் வேஃபரில் சேர்க்கும் மாசின் அளவையும் ஆழத்தையும் துல்லியமாக கட்டுப்படுத்த முடியும்.

சீரமைத்தல் (annealing) : அயனிகள் சிலிக்கன் அணுக்களுடன் மோதுவதால், வேஃபரின் மேல்பகுதிக்கு கொஞ்சம் சேதம் ஏற்படும். இதை சரிப்படுத்த வேஃபரை அதிக வெப்ப நிலையில் (சுமார் 700 முதல் 1000^o C வரை) சிறிது நேரம் வைக்க வேண்டும். இதை விரைவாக செய்ய வேண்டும். உதாரணமாக, வேஃபரை 20 அல்லது 30 வினாடிகளில் சாதாரண அறை வெப்பநிலையிலிருந்து 1000^o Cக்கு கொண்டுசெல்ல வேண்டும். இம்முறை ‘விரைவு வெப்ப சீரமைத்தல்’ (Rapid Thermal Annealing) அல்லது ‘ஆர்-டீ-ஏ’ (RTA) என்று சொல்லப்படும். இவ்வாறு விரைவில் வெப்ப நிலையை உயர்த்த ‘டங்க்ஸ்டன் ஹேலோஜன் விளக்கு’ (Tungsten Halogen Lamp) என்ற வகை விளக்கு பயன்படுகிறது. இவ்விளக்குகளின் மூலம் வேஃபரின் மேல்பகுதி மட்டும் சூடுபடுத்தப்படும்


இதனால், வேபரின் மேல்பகுதியில் சேதாரம் குறைந்து வேஃபர் முன் போல சீராக இருக்கும். இந்த அறைகளிலிருந்து காற்று வெளியேற்றப்பட்டு, வெற்றிடமாக இருக்கும். இல்லாவிட்டால், சிலிக்கன், காற்றிலிருக்கும் ஆக்சிஜனுடன் இணைந்து சிலிக்கன் டை ஆக்சைடு எனப்படும் கண்ணாடியாக மாறிவிடும். அயனி பதித்தலுக்கு அடுத்த கட்டமாக இந்த ஆர்-டீ-ஏ முறை எப்பொழுதும் பின்பற்றப்படுகிறது.

ஆக்சிஜனேற்றம்: சிலிக்கனுடன் ஆக்சிஜன் (உயிர் வாயு) வினைபுரிந்து சிலிக்கன் டை ஆக்சைடு என்னும் கண்ணாடி உருவாகும். காற்றில் எப்பொழுதும் ஆக்சிஜன் இருப்பதால், சுத்தமான சிலிக்கன் மேல் காற்று பட்ட உடனேயே சிறிய அளவு (சில நே.மீ. தடிமனில்) சிலிக்கன் டை ஆக்சைடு உருவாகும். சாதாரண கண்ணாடியில் சிலிக்கன் டை ஆக்சைடுடன் மற்ற பல பொருள்களும் கலந்து இருக்கும். ஆனால், ஐ.சி. தயாரிப்பில் பயன்படுத்தப்படும் சிலிக்கன் டை ஆக்சைடு மிக மிகச் சுத்தமானதாக/தூய்மையானதாக இருக்கும். நாம் கண்ணாடி என்ற வார்த்தையை தூய்மையான சிலிக்கன் டை ஆக்சைடு என்ற பொருளிலேயே இங்கு பயன்படுத்துவோம். கண்ணாடியை ஊடுருவி (diffuse) அவ்வளவு சுலபமாக வேறு எந்தப் பொருளும் செல்ல முடியாது. அதனால் சாதாரண வெப்ப நிலையில் இந்த கண்ணாடி 5 அல்லது 10 நே.மீ. தடிமனிலேயே இருக்கும். இது இயற்கையாகவே காற்றில் உருவாவதால் “இயற்கையான ஆக்சைடு அல்லது நேடிவ் ஆக்சைடு/native oxide” என்று சொல்லப்படும்.

சிலிக்கனுடன் ஆக்சிஜனை இணைத்து கண்ணாடியை ‘வளர’ வைக்க (அதாவது சிலிக்கனை கண்ணாடியாக மாற்ற) மூன்று முறைகள் உள்ளன. காற்றுடன் சிலிக்கனை வினை புரிய வைக்கும் முறை ‘உலர் ஆக்சிஜனேற்றம்’ (dry oxidation) எனப்படும். நீராவியுடன் சிலிக்கனை வினைபுரிய வைக்கும் முறை ‘ஈர ஆக்சிஜனேற்றம்’ (wet oxidation) எனப்படும். சிலிக்கனை சில ரசாயனப்பொருள்கள் கரைந்துள்ள தண்ணீருக்குள் வைத்து, மின்வேதி (electrochemical) முறையில் வினைபுரிய வைப்பது மின்வேதி ஆக்சிஜனேற்றம் (electrochemical oxidation) எனப்படும். இந்த கடைசி முறையில் வளரும் கண்ணாடியில் பல குறைபாடுகள் இருப்பதால், இது தற்போது பின்பற்றப்படுவதில்லை.

ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கு பயன்படுத்தப்படும் கருவியில் பல வேஃபர்களை ஒரே சமயத்தில் உபயோகப்படுத்த முடியும். இவை செங்குத்தான (vertical) அல்லது கிடையான (horizontal) நிலையில் இருக்கும். இவற்றின் அளவு சுமார் 8 அடி உயரமும், 8 அடி நீளமும் 3 அடி அகலமும் இருக்கும்.


உலர் ஆக்சிஜனேற்றம்: வேஃபரை காற்றில் அதிக வெப்பநிலைக்கு (சுமார் 700 முதல் 1200^o C வரை) கொண்டு சென்றால் ஆக்சிஜன் அணுக்கள் கண்ணாடி வழியே ஊடுருவி சென்று சிலிக்கனும் சேர்ந்து மேலும் அதிக கண்ணாடியை உருவாக்கும். அதனால் கண்ணாடியின் தடிமன் அதிகமாகும். இப்போது காற்றிலிருக்கும் ஆக்சிஜன் அணுக்கள் அதிக தடிமனுள்ள கண்ணாடி வழியே சென்று வினை புரிய வேண்டும். எனவே, வினை அவ்வளவு வேகமாக நடக்காது. ஆக்சிஜன் கொஞ்சம் மெதுவாக வருவதால், கண்ணாடி உருவாவதும் மெதுவாகவே நடக்கும். இந்த முறையில் வளரும் கண்ணாடி ‘ஓட்டை’ எதுவும் இல்லாமல் நல்ல தரத்துடன் இருக்கும். எனவே, தரமான கண்ணாடி தேவைப்படும்பொழுது இம்முறையே உபயோகிக்கப்படுகின்றது.

ஈர ஆக்சிஜனேற்றம்: சிலிக்கன் வேஃபரின் மேல் அதிக வெப்ப நிலையில் நீராவியை செலுத்தினால், கண்ணாடியும் ஹைட்ரஜன் வாயுவும் உருவாகும். இந்த வினை விரைவில் நடக்கும். இவ்வாறு உருவாகும் கண்ணாடியில் சில ஓட்டைகள் (porous) இருக்கும். அவை நம் கண்ணுக்கு தெரியாது. ஆனால் அவற்றின் வழியாக நீராவி செல்ல முடியும். எனவே, இவை அதிக தடிமனான கண்ணாடியாக இருந்தாலும், நீராவி அதன் வழியே சென்று சிலிக்கனுடன் வினை புரியும். நமக்கு நல்ல தரமான கண்ணாடி தேவையில்லை என்றால், ஈர முறையில் விரைவாக தேவையான தடிமனுக்கு கண்ணாடியை வளர்த்துக் கொள்ளலாம்.

எப்பொழுது ஐ.சி. தயாரிப்பில் தரமான கண்ணாடி தேவை? எப்பொழுது தேவையில்லை? டிரான்ஸிஸ்டர் உருவாக்கும் சமயம், கேட் ஆக்சைடு என்ற சிலிக்கன் டை ஆக்சைடை வளர்க்கும் பொழுது, நல்ல தரமான கண்ணாடி தேவை. ஏனென்றால், கோடிக்கணக்கான டிரான்ஸிஸ்டர்கள் வேலை செய்வது இந்த கேட் ஆக்சைடைப் பொறுத்து உள்ளது.

தயாரிப்பில் சில சமயங்களில், வேபர் மீது உள்ள தூசிகளை அகற்ற, வேஃபரின் மேல் பகுதியை கண்ணாடியாக மாற்றி, அந்த கண்ணாடியை (தூசிகளுடன் சேர்த்து) ஹைட்ரோ ஃப்ளூரிக் அமிலத்தில் கரைத்து எடுத்து விடுவார்கள். இந்த இடத்தில் கண்ணாடி பலி கொடுக்கத்தான் / தியாகம் செய்யத்தான் பயன்படுகின்றது! இதை sacrificial oxide என்று சொல்வார்கள். அதற்கு நல்ல தரமான கண்ணாடி தேவையில்லை என்பதால், ஈர ஆக்சிஜனேற்றம் பயன்படுத்தப்படும்.

சுருக்கம்/summary: ஐ.சி. தயாரிப்பில், சிலிக்கனில் மாசுக்களை சேர்க்க தற்போது அயனி பதித்தல் முறை பயன்படுகின்றது. இம்முறையில், நமக்கு தேவையான மாசுக்களை அயனிகளாக்கி, மின்புலத்தின் மூலம் அவற்றின் வேகத்தை அதிகரித்து, வேஃபரில் செலுத்த வேண்டும். எவ்வளவு மாசுக்கள் சேர்ந்துள்ளன என்பதை மின்சாரத்தின் அளவைக்கொண்டும், அவை எந்த ஆழத்தில் சேர்ந்துள்ளன என்பதை அயனிகளின் வேகத்தைக்கொண்டும் கணக்கிடலாம். இவ்வாறு அயனிகளை வேஃபரில் மோத வைத்து மாசுக்களை சேர்ப்பதால் வேஃபரின் மேல்பகுதியில் சிறிது சேதாரம் ஏற்படும். அதை ‘விரைவு வெப்ப சீரமைத்தல்’ என்ற முறையில் சரிசெய்யலாம்.

வேஃபரின் மேல்பகுதியை கண்ணாடியாக மாற்ற, வேஃபரை காற்றுடனோ அல்லது நீராவியுடனோ அதிக வெப்ப நிலையில் வினைபுரிய வைக்க வேண்டும். காற்றுடன் வினை நடக்கும் ‘உலர் ஆக்சிஜனேற்றத்தில்’ நல்ல தரமான கண்ணாடி, மெதுவாக வளரும். நீராவியுடன் வினை நடக்கும் ‘ஈர ஆக்சிஜனேற்றத்தில்’ சற்று தரம் குறைந்த கண்ணாடி, விரைவாக வளரும். ஐ.சி. தயாரிப்பு முறையில், தேவைக்கு ஏற்ப உலர் ஆக்சிஜனேற்றமோ ஈர ஆக்சிஜனேற்றமோ பயன்படுத்தப்படும்.

இதுவரை பார்த்த அயனி சி.வி.டி., உலர் நிலை அரித்தல் போன்ற எல்லா முறைகளையும் ஒன்றன் பின் ஒன்றாக வரிசையாக பயன்படுத்தி ஐ.சி. தயாரிப்பது எப்படி, இப்படி ஒருங்கிணைக்கும் பொழுது வரும் பிரச்சனைகள் என்ன என்பது பற்றி அடுத்த பதிவில் பார்க்கலாம்.