அயனி பதித்தல் 1. Ion Implantation -1

இதற்கு முன் பார்த்த “பொருளை படிய வைக்கும்” முறைகள் மூலம், ஏற்கனவே இருக்கும் சிலிக்கன் வேஃபரில் மேல், மற்ற பொருள்கள் படிய வைக்கலாம். அந்த முறைகளில் சிலிக்கனில் எந்த மாற்றமும் இருக்காது. ஆனால் வேறு இரண்டு முறைகள் மூலம் சிலிக்கனில் மாற்றத்தை ஏற்படுத்தலாம். அவை ‘அயனி பதித்தலும் ஆக்சிஜனேற்றமும்’ ஆகும்.

அயனி பதித்தல்: நாம் மூன்றாவது பகுதியில், வேபரில் பாஸ்பரஸ் (Phosphorous) என்ற தனிமத்தை சேர்த்தால் ‘N’ வகையாகவும் என்றும் போரான் என்ற தனிமத்தை சேர்த்தால் ‘P’ வகையாகவும் மாறுவதாகப் பார்த்தோம். அதில் கடைசி கட்டங்களில் மாசுக்களை சேர்ப்பதற்கு ‘அயனி பதித்தல்’ முறை தேவைப்படுகின்றது என்பதையும் பார்த்தோம்.

சிலிக்கன் வேஃபர் ஒரு திடப்பொருள்(solid) ஆகும். பாஸ்பரஸ் மற்றும் போரானும் திடநிலையில்தான் இருக்கும். அவற்றை சிலிக்கன் வேஃபருக்கு உள்ளே (வேஃபரை உடைக்காமல்) சேர்ப்பது எப்படி ?

வேஃபருக்குள் இந்த அணுக்கள் அதிக ஆழம் செல்ல வேண்டியதில்லை. ஒரு டிரான்ஸிஸ்டர் தயாரிக்க சுமார் 100 நே.மி. (அதாவது ஒரு மி.மீஇல் 10,000ல் ஒரு பங்கு) ஆழம் சேர்ந்தால் போதும். அதைவிட ஆழமாகப்போனால் டிரான்ஸிஸ்டர் சரியாக வேலை செய்யாது.
முன்பு (அதாவது 1970, 80களில்) மாசுக்களை சேர்க்க பயன்படுத்திய முறை என்னவென்றால் : பாஸ்பரஸை (அல்லது போரனை) சிலிக்கன் வேஃபரின் மேல் வைத்து கொஞ்ச நேரம் சூடுபடுத்தினால் சில பாஸ்பரஸ் அணுக்கள் சிலிக்கனுள் ஊடுருவி/பரவி (diffuse) சென்று விடும். இந்த முறையில் செலவும் குறைவு. ஆனால் இம்முறையில் எவ்வளவு பாஸ்பரஸ் அணுக்கள் சேரும் என்பதை தோராயமாகத்தான் (approximate) கட்டுப்படுத்த முடியும். துல்லியமாக(accurate) கட்டுப்படுத்த முடியாது. அதைப்போலவே எவ்வளவு ஆழம் செல்லும் என்பதையும் நன்றாக கட்டுப்படுத்துதல் சிரமம். அதனால் டிரான்ஸிஸ்டரின் அளவு கொஞ்சம் ‘முன்னுக்கு பின்’னாகத்தான் இருக்கும்.

டிரான்ஸிஸ்டரின் அளவு 5 மைக்ரான் அல்லது 10 மைக்ரானாக் இருக்கும்பொழுது, அரை மைக்ரான் (0.5 மைக்ரான் = 500 நே.மீ) முன்னுக்கு பின்னாக வந்தால் பரவாயில்லை. ஆனால் டிரான்ஸிஸ்டரின் அளவே அரை மைக்ரானுக்கு குறைவாக இருந்தால் இந்த முறை பயன்படாது. இதைவிட நல்ல கட்டுப்பாட்டுடன் மாசுக்களை சேர்க்க அயனி பதித்தல் முறை பயன்படுத்தப்படுகிறது. தற்போது (2008ல்) டிரான்ஸிஸ்டர்கள் 65 நே.மீ (0.065 மைக்ரான்) அளவில் தயாரிக்கப்படுகின்றன. 45 நே.மீ. அளவில் விரைவில் வந்துவிடும்.

அயனி பதித்தல் முறையில்,முதலில் பாஸ்பரஸை (அல்லது போரானை) அயனி ஆக்க வேண்டும். அடுத்து அவற்றை வேஃபரின் மேல் மிகுந்த வேகத்தில் செலுத்த வேண்டும். அவ்வாறு செலுத்தினால் அவை வேஃபருக்கு உள்ளே செல்லும். இதற்கு உதாரணமாக, துப்பாக்கி குண்டுகளை நல்ல திடமான மரக்கதவை நோக்கி சுட்டால், அவை கதவில் புகுந்து பதிந்துவிடுவதைச் சொல்லலாம்.

கருவியின் அமைப்பும், வேலை செய்யும் விதமும் : அயனி பதிக்கும் கருவி (Ion Implantor) சுமார் 10 அடி அகலமும், 10 அடி நீளமும், 8 அடி உயரமும் இருக்கும்.


இக்கருவியின் பகுதிகளை நான்காகப் பிரிக்கலாம்.

1. அயனி ஆக்குமிடம் (ionizing chamber)


2. அயனி தேர்ந்தெடுக்குமிடம் (Ion selection)


3. அயனியை வேகப்படுத்துமிடம் (acceleration chamber)


4. மாசு சேர்க்குமிடம் (doping chamber)

1. அயனியாக்கும் இடம் : பாஸ்பரஸ் அல்லது போரானை சேர்க்க, பாஸ்பரஸ் பென்டாக்சைடு (phosphorous pentoxide, P2O5) அல்லது போரான் டிரை ஃப்ளூரைடு (boron tri fluoride BF3) என்ற பொருளை எடுத்துக்கொள்ள வேண்டும். பாஸ்பரஸ் பென்டாக்சைடு என்பது திட நிலையில் இருக்கும். அதை சூடுபடுத்தினால், ஆவிநிலைக்கு வந்து விடும். போரான் டிரை ஃப்ளூரைடு என்பது சாதாரண வெப்ப நிலையில், வாயு நிலையிலேயே இருக்கும். எந்தப் பொருளாக இருந்தாலும் முதலில் வாயு நிலைக்கு கொண்டுவருவது அவசியம். பொருள் அளிக்குமிடத்தில் இவ்வாறு வாயுநிலைக்கு கொண்டுவரப்படும்.



இந்த உதாரணத்தில் போரான் டிரை ஃப்ளுரைடு என்ற வாயுவை உபயோகப்படுத்துவதாக எடுத்துக்கொள்வோம். இது ஏற்கனவே வாயுநிலையில் இருப்பதால், இதை நேராக உபயோகிக்கலாம். இந்த வாயுவில் இருக்கும் அணுக்களை, அயனிகளாக மாற்ற வேண்டும். இதற்கு ஒரு அறையில் (chamber) குறைந்த அழுத்தத்தில் டங்க்ஸ்டன் இழையில் மின்சாரத்தை செலுத்தினால் அது வெப்பமடையும் இந்த இழை, மின் விளக்கில் (குண்டு பல்பு) இருக்கும் நூல் போன்ற இழை ஆகும். நல்ல வெப்பமடைந்தபின் அந்த இழையிலிருந்து எலக்ட்ரான்கள் வெளியே வரும் இதற்கு தெர்மயானிக் எமிஷன் / thermionic emission என்று பெயர். அந்த எலக்ட்ரான்கள் BF₃ மூலக்கூற்களின் (molecule) மேல் மோதும். அப்படி மோதும்பொழுது BF3இலிருந்து சில எலக்ட்ரான்கள் வெளியேறி BF₃⁺ என்ற அயனி உருவாகும். டங்க்ஸ்டன் இழையிலிருந்து வரும் எலக்ட்ரான்கள் நல்ல வேகத்தில் வந்தால், BF₃ உடைந்து BF₃⁺, BF₂⁺, BF⁺, B⁺ போன்ற அயனிகளும் உருவாகும். இவ்வாறு வாயுவிலிருந்து அயனிகள் உருவாக்கப்படுகின்றன.

2. அடுத்து அயனி தேர்ந்தெடுக்கும் பகுதி இருக்கும். நாம் வேஃபரில் போரானை (B) மட்டுமே சேர்க்க வேண்டும். BF, BF₂ ஆகியவற்றை சேர்க்க கூடாது. அதனால், BF₃⁺, BF₂⁺, BF⁺, B⁺என்ற பல அயனிகள் கலந்த கலவையிலிருந்து B⁺ அயனியை தேர்ந்தெடுத்து அனுப்ப வேண்டும். மற்ற அயனிகளைத் வேஃபரில் சேராமல் தடுத்துவிட வேண்டும்.



நமக்கு தேவையான அயனியை தேர்ந்தெடுக்க மின்புலமும்(Electric field) காந்தப்புலமும்(magnetic filed) பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இந்த அயனிகளை இரு மின் தகடுகளுக்கு இடையே வைத்து ஒரு மின் தகட்டில் பாஸிடிவ் இணைப்பும் மற்ற மின் தகட்டில் நெகடிவ் மின் இணைப்பும் கொடுத்தால் B+ மற்றும் BF₃⁺, BF₂⁺, BF⁺ அயனிகள் நெகடிவ் தகடை நோக்கி செல்லும். அப்போது ஒரு மின்காந்தம் (electromagnet) வைத்து காந்தப்புலத்தை உருவாக்கினால், அயனிகள் செல்லும் திசை மாறிவிடும். எவ்வளவு தூரம் திசை மாறும் என்பது அவற்றின் எடை(mass) மற்றும் மின்னூட்டத்தைப் (electrical charge) பொறுத்தது. B⁺ அயனியானது அதிக அளவிலும் BF₃⁺, BF₂⁺, BF⁺, ஆகிய அயனிகள் குறைந்த தூரமும் திரும்பும். அதனால் ஒரு தகடை சரியான இடத்தில் வைத்து B⁺ அயனியைத்தவிர மற்ற எல்லா அயனிகளையும் தடுக்கலாம் . இவ்வாறு அயனிகளின் கலவையிலிருந்து, B⁺ அயனி மட்டும் தேர்ந்தெடுக்கப் படுகின்றது.

3.அயனி வேகப்படுத்தும் இடம் இந்த B⁺ அயனிகள் ஓரளவு வேகத்துடன்தான் வரும் இவற்றை வேஃபருக்கு உள்ளே சேர்க்க நல்ல வேகத்தில் அனுப்ப வேண்டும். எனவே இந்த அயனிகளை முடுக்க/ வேகப்படுத்த / accelerate வேண்டும். இதற்கு வளையம் போன்ற (ரிங் / ring வடிவம் கொண்ட) மின் தகடுகளை வைத்து அவற்றில் நெகடிவ் மின் இணைப்பு கொடுத்தால், B⁺ அயனிகள் நல்ல விசையுடன் இத்தகடுகளை நோக்கி ஈர்க்கப்படும். இதற்கு பல ஆயிரக்கணக்கான வோல்டேஜ் தேவைப்படும். அயனிகளின் வேகம் அதிகரித்து வளையத்திலுள்ள வட்டமான துளை வழியே சென்று விடும் (அதாவது வளையமாக இருக்கும் மின் தகடுகளின் மேல் மோதாது). இவை ‘அயனிக் கற்றை’ (ion beam) என்று அழைக்கப்படும். ஒளிக்கற்றை (light beam) என்பது போல, அயனிக் கற்றை என்று கூறுவது சொல் வழக்கு.


இந்த ‘முடுக்கும்’ அறை முழுவதும் காற்று வெளியேற்றப் பட்டு வெற்றிடமாகவே இருக்கும். தப்பித்தவறி ஏதாவது காற்று அணுக்கள் (உயிர் வாயு எனப்படும் ஆக்சிஜன், மற்ற நைட்ரஜன் போன்ற வாயுக்கள்) இருந்தால், B⁺ அயனிகள் அவற்றின் மீது மோதி எலக்ட்ரானை எடுத்துக் கொண்டு போரான் அணுவாக மாற வாய்ப்பு உள்ளது. இந்த போரான் அணுக்களை வேஃபரில் செலுத்தக் கூடாது. போரான் அயனிகளை (B⁺) மட்டுமே செலுத்த வேண்டும். (இதன் காரணம் அடுத்த பதிவில் வரும்.)

இதற்காக, கடைசியில் வேஃபருக்கு போகும்முன் இந்த அயனிக் கற்றையை சிறிய காந்தப்புலத்தில் வைத்து கொஞ்சம் திருப்பி விடுவார்கள். காந்தப் புலமானது மின்னூட்டம் கொண்ட அயனிகள் செல்லும் திசையை மட்டுமே மாற்றும். போரான் அணுக்கள் செல்லும் திசையை மாற்றாது. அதனால், வேஃபர் மீது B⁺ அயனிகள் மட்டுமே விழும். இந்த அயனிக் கற்றை சுமார் 1 சதுர செ.மீ. பரப்பளவு உடையதாக இருக்கும்.

4. மாசு சேர்க்கும் இடம்கடைசியாக அயனி சேர்க்கும் பகுதியில் அயனி கற்றை வேஃபரில் விழும்பொழுது வேஃபர் மெதுவாக முன்னும் பின்னுமாகவும் பக்கவாட்டிலும் நகர்த்தப்படும். இதன் மூலம் வேஃபர் முழுவதும் சமச்சீராக (uniform) அயனிகளைச் சேர்க்கலாம்.


தற்போது உள்ள கருவிகளில், அயனி கற்றையை மின் தகடுகள் வைத்து, வோல்டேஜ் கொடுத்து, X மற்றும் Y என்று இரு திசைகளிலும் நகர்த்த வழி உள்ளது. (ஆனால் படத்தில் அது கொடுக்கப் படவில்லை)

இதன் தொடர்ச்சியை அடுத்த பதிவில் பார்க்கலாம்.