படிய வைத்தல்-1 .பி.வி.டி. Deposition-1 (PVD)

ஒரு சிலிக்கன் வேஃபர் மேல் தாமிரத்தையோ அல்லது டங்க்ஸ்டனையோ படிய வைக்க வேண்டும் என்றால் அதற்கு பல வழிகள் உண்டு. படிய வைக்கும் முறைகளை நான்கு விதமாகப் பிரிக்கலாம்.

1. ஆவி நிலை படிய வைத்தல் Physical Vapor Deposition சுருக்கமாக பி.வி.டி PVD (இதற்கு இன்னொரு பெயர் ஸ்பட்டரிங் - Sputtering)
2. ஆவிநிலை வேதிச் சேர்க்கை Chemical Vapor Deposition (சுருக்கமாக சி.வி.டி CVD)
3. மின்வேதி சேர்க்கை Electrochemical Deposition
4. சுழற்சி படிய வைத்தல் (spin-on coating)

ஐ.சி.க்களில் மிகச் சிறிய அளவே பொருளை படிய வைக்க வேண்டி இருக்கும். இவ்வாறு படிந்த பொருள், ”thin film” என்ற லேசான அல்லது மெல்லிய படலம் என்று அழைக்கப்படும். இது ஏறக்குறைய நாம் சுவற்றில் பெயிண்ட்(paint) அடிப்பது போல மிக மெல்லியதாக இருக்கும். பல சமயங்களில், அதைவிட மெல்லியதாக இருக்கும்.

எந்த முறையாக இருந்தாலும் ஒரு பொருளை வேஃபரின் படிய வைக்க சில தேவைகளை பூர்த்தி செய்ய வேண்டும்.

1. வேஃபர் முழுவதும் ஒரே சமச்சீராக (uniform) படியவைக்க வேண்டும்.


2. மிக நல்ல கட்டுப்பாடு தேவை. அதாவது 0.0001 மி.மீ. தடிமன் வேண்டுமென்றால் எல்லா இடங்களிலும் தடிமன் 0.00009 மி.மீ. லிருந்து 0.00011 மி.மீ.க்குள் இருக்க வேண்டும்.


3. மேலும், மேடுபள்ளம் இருக்கும் பகுதிகளில் பக்கச்சுவர் (sidewall) மீதும் நன்றாகப் படிய வேண்டும். கீழே இருக்கும் வரைபடத்தில் இது விளக்கப்பட்டு இருக்கிறது. இதற்கு side wall coverage என்று பெயர்.
   
   
   


4. படிந்த பொருள் ‘உரிந்து’ வரக்கூடாது. இதற்கு peel-off என்று பெயர். சில சமயங்களில், வீட்டு சுவரில், பெயிண்டிங் சரியாக இல்லாவிட்டால், பெயிண்ட் உரிந்து வருவதை பார்த்து இருப்பீர்கள்.


5. வேறு எந்த மாசும் வேஃபர் மீது விழக்கூடாது.

ஒவ்வொரு பொருளையும் சேர்க்க அல்லது படிய வைக்க, அப்பொருளின் தன்மைக்கேற்ப சரியான வழியைப் பயன்படுத்த வேண்டும்.

ஒரு பொருளை படிய வைக்க ஆவியாக்கி பின் குளிர வைத்தால் அது வேஃபரின் மேல் படியும். இந்த முறைக்கு ஆவியாக்கல் evaporation என்று பெயர். முதலில் ஐ.சி.க்களில் பொருள்களைப் படிய வைக்க இந்த முறைதான் பயன்படுத்தப்பட்டது. ஆனால் இந்த முறையில் பல சிக்கல்கள் இருப்பதால் இப்போது இது நடைமுறையில் இல்லை. உதாரணமாக உலோக (metal) ஆவி வேஃபரில் மட்டும் படியாமல் எல்லா இடங்களிலும் படிவதால் பொருள் விரயம் அதிகம். தவிர, சில உலோகங்களை ஆவியாக்க மிக அதிக வெப்பம் தேவை. இது போன்ற பல காரணங்களல் இம்முறை உபயோகத்தில் இல்லை. ஆனல் இதே முறையின் அடிப்படையில், சில மாற்றங்கள் செய்து வேறு இரண்டு முறைகள் இப்போது வழக்கத்தில் இருக்கின்றன.

ஆவி நிலையில், வேதி சேர்க்கை மூலம் பொருளை படிய வைப்பது ஒரு முறை. இதற்கு ஆவி நிலை வேதி சேர்க்கை படியவைத்தல் (chemical vapor deposition) அல்லது சி.வி.டி. (CVD) என்று பெயர். இந்த முறையில் எடுத்துக்காட்டாக, டங்க்ஸ்டன் (W) உலோகத்தை படிய வைக்க வேண்டும் என்றால், அதற்கு டங்க்ஸ்டன் - ஹெக்சா - ஃப்ளூரைடு (WF₆) என்ற வாயுவையும், ஹைட்ரஜன் (H₂) வாயுவையும் சிலிக்கன் வேஃபர் மேல் செலுத்தலாம். இவை இரண்டும் அதிக வெப்ப நிலையில் (high temperature) சிலிக்கன் வேஃபர் மேல் மட்டும் ரசாயன சேர்க்கையில் ஈடுபட்டு (அல்லது வினை புரிந்து) டங்க்ஸ்டன் ஆனது, படியும்.

WF₆ + 3 H₂ -> W + 6 HF

இவ்வாறு இல்லாமல், ரசாயன சேர்க்கை இல்லாமல் ஒரு பொருளை படிய வைப்பது Physical Vapor Deposition ( PVD , பி.வி.டி.) எனப்படும். இதைத் தமிழில் ‘பௌதிக ஆவி நிலை படியவைத்தல்’ என்று சொல்லுவது சரியல்ல! ரசாயன - சேர்க்கையற்ற ஆவி நிலை படிய வைத்தல்’ என்பதுதான் சற்று நீளமாக இருந்தாலும் சரியான மொழிபெயர்ப்பாகும்.

முதலில் பி.வி.டி. என்பது என்ன, அது ஆவியாக்கலில் (evaporation) இருந்து எவ்வாறு வேறுபடும் என்பதை பார்ப்போம். பின்னால் சி.வி.டி. தொழில் நுட்பத்தையும், மூன்றாவதாக Electrochemical என்ற மின்வேதிசேர்க்கை முறையையும் விரிவாக பார்ப்போம். கடைசியாக spin-on எனப்படும் சுழற்சி படிய வைத்தலைக் காணலாம்.

PVD/பி.வி.டி:
கருவியின் அமைப்பு: structure

இந்தக் கருவி சுமார் 4 அடி உயரமும் 4 அடி விட்டமும் கொண்டு இருக்கும். அதில், படிய வைக்கப் படும் பொருள் (உதாரணமாக டங்க்ஸ்டன்) மேலே இருக்கும். இதன் வரைபடம் கீழே கொடுக்கப்பட்டு உள்ளது.


அலுமினியம் வட்ட வடிவில் சுமார் 5 அல்லது 6 அங்குல விட்டத்திலும் ஒரு அங்குல தடிமனிலும் இருக்கும். அதற்கு டார்கெட் (target) என்று பெயர். கீழே வேஃபர்கள் இருக்கும். இது தவிர காற்று மற்றும் வாயுக்களை வெளியே இழுக்கவும், உள்ளே செலுத்தவும் குழாய் இணைப்புகள் இருக்கும். மேலும் சுமார் 10000 வோல்டேஜ் மின் அழுத்தத்தில் எலக்ட்ரோடு இணைப்புகளும் இருக்கும். இதில், எதிர்மறை (negative)மின் தகடு (electrode)டார்கெட்டை தொட்டுக்கொண்டும்நேர்மறை (positive) மின் தகடு (electrode) வேஃபர் பக்கத்திலும் இருக்கும்.

பொதுவாக, டார்கெட்(target) என்றால், ‘குறிக்கோள்’ என்று அர்த்தம். இங்கே டங்க்ஸ்டனுக்கு ஏன் டார்கெட் என்று பெயர்? இதிலிருந்து எப்படி வேஃபருக்கு பொருளை எடுத்துச் சென்று படிய வைப்பது?

வேலை செய்யும் முறை:
இதற்கு ஒரு உதாரணத்தைப் பார்க்கலாம். ஒரு பழைய வீட்டில் மேல் சுவர் /விட்டதின் மீது ஒரு பந்தை எறிந்தால் மேல் சுவரில் இருக்கும் சுண்ணாம்பு உதிர்ந்து கீழே தரை மீது விழுந்து படியும். (பந்து தரையில் கீழே விழவில்லை என்று கற்பனை செய்து கொள்ளுங்கள்). இப்படி பல பந்துகளை மேலே எறிந்தால் கொஞ்ச நேரத்தில் கீழே தரை முழுவதும் வெள்ளையாகிவிடும். இவ்வாறு விழும் சுண்ணாம்புத் துகள்களில் பெரிய துகள்கள் நன்றாக ஒட்டாது. விளக்குமாறால் பெருக்கினால் வந்து விடும். ஆனால் சிறிய துகள்கள் அவ்வளவு சுலபமாக வராது. தரையில் நன்றாகவே ஒட்டிக்கொண்டு இருக்கும். தண்ணீர் விட்டு மெழுகினால்தான் வரும். பி.வி.டி. முறையிலும் இவ்வாறு பந்திற்கு பதிலாக ஆர்கான் அயனிகளைக்கொண்டு அலுமினியத்தை(சுண்ணாம்பு அடித்துள்ள மேல்சுவரை) தாக்கினால், சிறிய அளவில் அணுக்கள் உதிர்ந்து கீழே இருக்கும் வேஃபரில் படியும்.

முதலில் உள்ளே இருக்கும் காற்றை முழுவதும் வெளியேற்றி வெற்றிடம்(vacuum) உருவாக்கப்படும். பின் ஆர்கான்(Argon) என்ற வாயு சிறிய அளவு உள்ளே செலுத்தப்படும். இப்போது எலக்ட்ரோடுகளில் மின் அழுத்தம் கொடுத்தால், பிளாஸ்மா (plasma) என்ற நிலை உருவாகி, ஆர்கான் அயனி உருவாகும். அதாவது ஆர்கான் எலக்ட்ரானை இழந்து பாஸிடிவ் அயனி ஆக இருக்கும். இது சாதாரண வோல்டேஜில் நடக்காது. இதற்கு அதிக மின் அழுத்தம் (high voltage) தேவை. அப்போது plasma என்ற நிலை வருகிறது. இந்த பாஸிடிவ் ஆர்கான் அயனிகள், ஈர்ப்பு சக்தியால் நெகடிவ் மின் தகடை (electrode) நோக்கி சென்று நல்ல வேகத்தில் மோதும். அதனால் தான், அலுமினியத்திற்கு, இந்த இடத்தில், டார்கெட் என்ற பெயர் வந்தது.

வேகமாக வந்த ஆர்கான் அயனிகள், டார்கெட்டில் மோதுவதால், சில அலுமினியம் அணுக்கள் வெளியே தெறித்து சிதறி வரும். இது கீழே இருக்கும் வரைபடத்தில் கொடுக்கப்பட்டு உள்ளது.
ஒரு ஆர்கான் அயனி மோதினால், வெளியே எவ்வள்வு டங்க்ஸ்டன் அணுக்கள் வரும்? இது மோதும் அயனியின் வேகம், அது வரும் கோணம் (angle) ஆகியவற்றைப் பொருத்தது. பொதுவாக ஒரு அயனி மோதினால், சில அணுக்கள் வெளியே வரும். இவ்வாறு வருவது மிகச்சிறிய அளவு என்பதால் இவற்றை கண்ணால் பார்க்க முடியாது.

வெளியே தெறித்த அலுமின்யம் அணுக்கள் வேஃபரை ஒரளவு வேகத்துடன் வந்து அடையும். அவை அனைத்தும் வேபரில் சீராகப் படியாது. பல அணுக்கள் வந்தவுடன் படிந்து விடும். சில அணுக்கள், சுவரில் அடித்த பந்து போல, பட்டு திரும்ப எகிறிப் போய்விடும். சில அணுக்கள் பட்டு ஏற்கனவே படிந்த அணுக்களையும் வெளியே கிளப்பி விட்டு போய்விடும். இவற்றை கீழே இருக்கும் வரைபடங்களில் காணலாம்.



வேஃபரின் மேலே விழும் டங்க்ஸ்டன் அணுக்களில் எவ்வளவு படியும்/ஒட்டும் என்பது ‘ஒட்டும் விகிதம்' (sticking coefficient) என்று சொல்லப்படும். எல்லா அணுக்களும் ஒட்டினால், அது 1 (ஒன்று) ஆகவும், ஒன்றுமே ஒட்டவில்லை என்றால் அது 0 (பூஜ்யம்) ஆகவும் இருக்கும். பெரும்பாலான சமயங்களில் இது 0.7 அல்லது 0.8 ஆக இருக்கும். (அதாவது 100க்கு 70 அல்லது 80 அணுக்கள் பதியும். மீதி பட்டு திரும்பிப் போய்விடும்).

வேஃபரில் எல்லாம் சமச்சீராகப் படிய ஒரு சில உத்திகள் கையாளப்படுகின்றன. படியவைக்கும்போதே வேஃபரை மெதுவாக சுழல வைப்பது ஒரு முறை. வேஃபரை கொஞ்சம் சூடு படுத்தினால், படிந்துள்ள மெல்லிய படலம் (thin film) கொஞ்சம் ‘இளகி’, நன்றாகப் படிய வாய்ப்பு உண்டு. இது வரை பி.வி.டி. எப்படி வேலை செய்கிறது என்பதை பார்த்தோம். இந்த இடத்தில் சில விளக்கங்கள் அளிப்பது பொருத்தமாக இருக்கும்.
நேரடியாக ஆவியாக்கி படிய வைப்பதை விட இவ்வாறு ஆர்கான் அயனி கொண்டு ‘தாக்கி’, அலுமினியம்(அல்லது வேறு டார்கெட் உலோகத்தை) சிதறவைத்து வேஃபரில் படிய வைப்பது ஏன்? அதில் என்ன லாபம்?

டங்க்ஸ்டன் அல்லது வேறு பொருளை திரவமாக்கி, பின் ஆவியாக்க அதிக வெப்ப நிலை தேவைப்படும். பி.வி.டி. முறையில் அது தேவையில்லை. இரண்டு அல்லது மூன்று உலோகங்கள் சேர்ந்த கலவையை (alloy) ஆவியாக்கினால், அந்தக் கலவையில் இருக்கும் கொதி நிலை குறைந்த உலோகங்கள் சீக்கிரம் ஆவியாகிவிடும். ஆனால், கொதி நிலை அதிகமான உலோகங்கள் ஆவியாகாது. அதனால், உலோகக் கலவைகளை, வெறும் ஆவியாக்கல் (evaporation) மூலம் படிய வைப்பது சிரமம். அதனால், பி.வி.டி. முறை மூலம் ஆர்கான் அயனி கொண்டு ‘தாக்கி’ குறைந்த வெப்ப நிலையில் படிய வைக்கப் படுகிறது.

சரி, ஆனால், எதற்காக ஆர்கான் வாயுவை உபயோகிக்க வேண்டும்? ஆர்கான் அவ்வளவு சுலபமாக வேதி சேர்க்கையில் ஈடுபடாது. இதற்கு பதிலாக ஆக்சிஜன் அல்லது நைட்ரஜன் வாயுவைப் பயன்படுத்தினால் ரசாயன சேர்க்கை நடந்து அலுமினியத்திற்கு பதில் அலுமினியம் ஆக்சைடு அல்லது நைட்ரைடு படிந்து விடும். அதனால் மந்த வாயு (inert gas) என்று சொல்லப் படும் ஆர்கான் உபயோகிக்கப் படுகிறது.

அதிலேயே, ஹீலியம் (Helium, He) அல்லது நியான் (Neon, Ne) என்ற வேறு வாயுக்களும் உண்டு. அவையும் மந்த வாயுக்கள்தான். ஆனால், அவற்றின் விலை ஆர்கான் விலையைவிட அதிகம். தவிர, ஆர்கானை அயனி ஆக்குவது ஹீலியம் அல்லது நியானை அயனி ஆக்குவதை விட சுலபம். இந்தக் காரணங்களால் பி.வி.டி.யில் ஆர்கான் பயன்படுத்தப் படுகிறது.

இந்த பி.வி.டி. முறையில், டங்க்ஸ்டன்(W), டைடானியம்(Ti) , டேன்டலம்(Ta), தாமிரம் (Cu) ஆகிய உலோகங்களையும், டைடானியம்-நைட்ரைடு(TiN), டேன்டலம்-நைட்ரைடு (TaN) ஆகிய பொருள்களையும் படிய வைக்கலாம். ஆனால், டங்க்ஸ்டன், இப்போது CVD முறையிலேயே படிய வைக்கப் படுகிறது. தாமிரம், கொஞ்ச அளவு PVD இலும், மீதியை electrochemical என்ற மின்னணு-வேதி சேர்க்கைமுறையிலும் படிய வைக்கப்படுகிறது. மேலே கூறப்பட்ட பொருள்கள் எல்லாம் மின் கடத்திகள். ஆனால் மின்கடத்தாப் பொருளான கண்ணாடியையும் (சிலிக்கன் -டை - ஆக்சைடு) பி.வி.டி. கருவியிலும் வேலை செய்யும் முறையிலும் சில மாற்றங்கள் செய்து படிய வைக்கலாம். இதை அடுத்த பதிவில் காணலாம்.