1 Yupqa plyonkalardagi hodisalar. Vakumda termik changlatish usuli Epitaksial yupqa qatlamlarni hosil qilish

Yupqa plyonkalarni olinish usullari epitaksial plyonkalar va
uning fizikasi
Reja:
1 Yupqa plyonkalardagi hodisalar.
2 .Vakumda termik changlatish usuli
3.Epitaksial yupqa qatlamlarni hosil qilish
4.Epitaksiya atamasi
Yupqa plyonkalar hozirgi paytda fan va texnikaning turli sohalarda qo’llaniladi. Yupqa plyonkalarda yuz beradigan fizikaviy jarayonlar massiv kattik moddalarga qaraganda muhim rol o’ynaydi. Shuningdek plyonkaning tuzilishi va xossasi massiv materiallar strukturasidan farq qiladi. Plyonlarni hosil qilish, shakllantirish jarayonlari nafaqat uni o’stirish texnologiyasi, balki uning materialiga va taglikning strukturasiga ham bog’liq bo’ladi. Yupqa plyonka tushunchasi ma’lum darajada shartli. Odatda yupqa plyonka deganda uning qalinligi 1 mkm. dan ko’p bo’lmagan Yupqa parda tushuniladi. Yupqa plyonkalardagi fizik jarayonlarga massiv materialiga qaraganda boshqacharoq bo’ladi. Masalan, massiv materiali uchun uncha muhim bo’lmagan sirtlarning g’adir - budirligi plyonkalar uchun eng muhim xususiyat hisoblanadi. Bu xususiyatlar ularning o’tkazuvchanligiga va kinetik xarakteristikalariga ta’sir etadi.
Yupqa plyonkalardagi yuzaga keladigan hodisalar, effektlar massiv materiallarda kuzatilmasligi mumkin. Jumladan shunday effektga misol qilib granulli plyonkalarda elektronlarning tunnellanish hodisasini ko’rsatish mumkin. Yupqa plyonkalarni eng muhim xossalaridan biri ularni solishtirma o’tkazuvchanligini o’zgartirish mumkinligidir. O’ta Yupqa plyonkalar yaxlit bo’lmay, alohida granulalardan tashkil topgan (donador) bo’ladi. Yuqorida aytilganidek, Yupqa plyonkalarning xossalari qalin plyonkalarning xossalaridan farq qiladi. Metall dielektrik va metall - o’tkazgich tipidagi Yupqa plyonkali kontaktli tizimlar hozirgi zamon mikroelektronikasida keng qo’llaniladi. Bunday plyonkali sistemalar xossalarini o’rganish o’ta ishonchli va nozik elektron yaratilishiga olib keldi. Masalan, elektron kalitlar, kuchaytirgichlar, generator, mantiqiy sxemalar va xokazo. Ular mikroelektronikaning jadal rivojlanishiga turtki bo’ldi. Plyonkalar vazifasi, yasalish texnologiyasi, materiali va boshka xususiyatlarga qarab turli tiplarga bo’linadi. Masalan, yarim o’tkazgichli, dielektrikli, metalli, massiv va hokazo. Metall plyonkalarga qo’yiladigan asosiy talablardan biri ularning solishtiradigan o’tkazuvchanligining katta bo’lishligidir. Qo’llaniladigan metall plyonkalarning oralig’ida bo’ladi. Metall plyonkalar asosiy oltin, mis, nikel, kalinligi 2000 - 1000 A oralig’ida bo’ladi. Metall plyonkalar asosan oltin, mis, nikel, alyuminiy, molibden, tantal kabi metallardan qilinadi. Rezistorlarni tayyorlashda esa qarshiligi katta materiallar (Ni, Ta, Cr)dan foydalaniladi. Bunday metall plyonkalar asosan vakuumda termik changlatish usuli bilan olinadi. Yupqa plyonkalarning tarkibi va sifat xususiyatlari asosan uni o’stirish paytida taglik haroratiga, vakuum darajasiga, taglik materiali va changlatadigan modda xossalariga ham bog’liq bo’ladi. Istalgan qalinlikdagi plyonka uchun quyidagi munosabatlar o’rinli bo’ladi: R = ρl/ad (1) m = γlda (2)
Bunda R - plyonka qarshiligi, m - plyonka massasi, ρ - plyonkaning solishtirma qarshiligi, γ - plyonka zichligi, l,d,a - mos holda plyonkaning uzunligi, qalinligi, kengligi. (1), (2) dan γρ = mR/l (3)
tavsiya mumkin. Integral mikrosxemada IMS elementlarni yasashda elektrik izolyatsiya qatlami sifatida dielektrik plyonkalar qo’llaniladi. Dielektrik plyonkalarni hosil qilishda vakuumda termik changlatish, ion - plazmali changlatish va ximiyaviy o’stirtirish usullari qo’llaniladi. Taglik - bu plyonka hosil qilinadigan asos bo’lib, plyonkaning sifati ana shu taglik holatiga ham bog’liq bo’ladi. IMS larni yasashda podlojkalar ikki xil vazifalarni bajaradi:

1. 
   Asos sifatida uning sirti va hajmida IMS strukturasi shakllantiriladi.
   
2. 
   Podlojkalar IMS larning konstruksiya elementi boʻlib, ularning boʻlib, amaliy qoʻllanilishini taʼminlaydi. Tuzilishi va materiali bo’yicha podlojkalar amorf, polikristall, monokristall podlojkalarga bo’linadi. Ularni tozalashning ko’p usullari mavjud. Yarim o’tkazgichli podlojka yarim o’tkazgichli (taglik) materialdan tayyorlangan zagotovka bo’lib, IMS larni yasash uchun xizmat qiladi. Dielektrik podojka uchun shisha, keramika, sitall va boshqa materiallar olinadi.
   

Plyonkalarni hosil qilishning vakuumda termik changlatish hamda kimyoviy gazli va suyuq epitaksiyaviy plyonkalar olish usullarini ko’ramiz.
Vakuumda termik changlatish usuli. Plyonka olishning vakuumda termik changlatish usulida plyonka yuqori vakuumda moddalarni qizdirib bug’latish yo’li bilan hosil qilinadi. Bu usulda yupqa plyonka olish uch bosqichdan iborat :

1. 
   modda atomlari, buglari oqimini hosil qilish uchun moddani buglatish (eritish);
   
2. 
   atomlar bug’larini vakuum orqali podlojkaga uzatish;
   
3. 
   podlojkada modda bug’larining kondensasiyalanishi va plyonkali strukturaning hosil bo’lishi.
   

Vakuumda changlatish usulining moxiyati quyidagicha : vakuumda plyonka hosil qilinuvchi modda erish haroraticha qizdiriladi. Natijada u bug’lana boshlaydi. Bug’lanayotgan modda oqimining yo’liga podlojka qo’yiladi. Podlojkada (taglikda) modda bug’lari kondensasiyalanib, yupqa plyonka strukturasini hosil qiladi. 1-rasm.
Bug’lanish jarayoni quyidagi sxema bo’yicha amalga oshadi: qattiq faza → suyuq faza → gazsimon (bug’) faza. Ayrim moddalar suyuq holatga o’tmasdan bug’lana boshlaydi

1 - rasm. а - spiralli changlatgich; b - elektron nurli changlatgich ; 1- bug’lanadigan modda ; molekulyar dasta ; 3 - podlojka; 4 - qizdiriladigan katod ; 5 fokuslovchi elektrod; 6 - tezlashtirilgan elektronlar dastasi ; 7 - tigel.
(Mg, Zn, Kd). Bunday jarayonga sublimasiya deyiladi. Termik changlatish usulining sxemasi 1 - rasmda ko’rsatilgan.. Plyonka hosil bo’lishi va uning sifati ko’p sifatiga bog’liq Jumladan, moddaning bug’lanish tezligiga ham bog’liq bo’ladi. Moddaning bug’lanish tezligi deb, 1 s da moddaning birlik yuzasidan chiqadigan (modda miqdori) zarrachalar soniga aytiladi va quyidagi formula bilan aniqlanadi.
k = 1/4 nν (4)
Bu yerda, n - molekulalar konsentrasiyasi, ν - molekulalar tezligi.
Plyonkaning podlojkaga mustahkam yopishib turishi (yopishish kuchi) adgeziya deb aytiladi. Agdeziyani oshirish plyonkalar olishda muhim axamiyatga ega. Moddalarni eritish elektr toki bilan qizdirgichlar yordamida amalga oshiriladi. Qizdirgichlar qiyin eriydigan moddalardan yasaladi. Ular ko’pincha tigel deb aytiladi. Tigellarning yasalish konstruksiyalari turlicha bo’lishi mumkin.
Plyonka olishda yuqori vakuum - 10^-6 mm.sim.ust. tartibida boʻladi. Chunki plyonkaning sifati vakuum darajasiga juda bog’lik bo’ladi. Plyonka olishda podlojka harorati, uning kalinligi va vakuum darajasi nazorat qilib turiladi. Vakuum qalpog’i ichida podlojkalar uchun nikoblar, zaslonka, tigel va boshka moslamalar bo’ladi. Plyonka olishda bir pozisionli va ko’p pozisionli qurilmalar qo’llaniladi. Moddalar erish haroratidan yuqori haroratlarda bug’lanib podlojka ustiga o’tiradi. Plyonka olish jarayonida uning qalinligi maxsus zaslonka yordamida boshqarilib turiladi. Olingan plyonkaning sifati vakuum darajasiga, podlojka materialining tozaligiga va boshqa omillarga bog’liq bo’ladi. Plyonka olishning vakuumda termik changlatish usulidan tashqari juda ko’p usullari mavjud. Masalan, kimyoviy usullar (suyuk va gazli epitaksiya usullari), ionli implantatsiya va boshka usullar.
Epitaksial yupqa qatlamlarni (plyonkalarni) hosil qilish.Yuqorida ta’kidlanganidek, elektron asbob va qurilmalarni yanada mikroixchamlashtirish masalalarini echish hamda yuqori sifatli, stabil ishlaydigan integral mikrosxemalarni (IMS) yaratishda diffuzion texnologiya usulidan foydalanib bo’lmadi. Chunki u ma’lum kamchiliklarga ega edi. Diffuzion texnologiya usulida hosil qilingan p - n o’tishlar aniq chegaraga ega bo’lmaydi. Masalan, kristall plastinka sirtida aralashmalarning konsentrasiyasi yuqori bo’lib, plastinka1 ichiga tomon kamayib boradi. Chunki diffuziya kristallning sirtidan boshlanadi. Diffuziya sohasidagi konsentrasiya gradienti (konsentrasiya farqini kamayishi) plastinka qalinligi bo’yicha aralashmalarni notekis taqsimlanishini hosil qiladi. Bu esa yarim oʻtkazgichli asboblar (IMSlar)ning parametrlarini oʻzgarib ketishiga va ularning nostabil ishlashiga olib keladi.
Dastlabki diffuzion texnologiya asosida ishlab chiqilgan yaroqli IMSlarning chiqishi 1-5 % ni tashkil etgan. Shuning uchun elektron texnikasi sohasida muxandislar oldida keng ko’lamdagi yarim o’tkazgichli asboblar uchun zarur bo’lgan aralashmalari tekis taqsilangan strukturalarni yaratishga imkon beradigan usullarni ishlab chiqarish muammosi qo’yiladi. Epitaksial plyonkalar olish usulidan foydalanib bu masalani yechish mumkin ekan. Epitaksial plenkalar olish texnologiyasi XX asrning 60-70 yillarida ancha shakllandi. Epitaksial plyonkalar IMSlar tayyorlash vaqtini, texnologik jarayonlar uchun sarf - xarajatlarni kamaytiradi. Bunday muammolar epitaksial plyonkalar olish va ionli implantasiya usullari ishlab chiqilgandan keyin to’liq bartaraf qilindi.
Epitaksiya atamasi grekcha "epi" so’zidan olingan bo’lib, O’zbek tiliga o’girganda ustiga "taksiya" so’zi esa taynen so’zidan olingan bo’lib, tartib bilan joylashtirish degan ma’noni anglatadi. Demak epitaksiya degani monokristall modda ustida plyonka katlamini tartibli oriyentirlangan xolda o’stirishni bildiradi. Bunda o’stirilgan plyonka monokristall bo’lib, podlojka strukturasini takrorlaydi. Epitaksial o’stirilgan plyonkalarni qo’llash tufayli sifatli IMS larni chiqishi 5% (1965 y) dan 97% (1975-80) gacha ortdi.Hozirgi elektron sanoatda epitaksial plyonkalar olishning turli usullari ishlab chiqarilgan. Ko’p hollarda yarim o’tkazgichli modda atomlarini manbadan plastinka ustiga suyuq fazadan bug’latish, sublimatsiya, changlatish usullari yordamida o’tkaziladi. Bunda hech qanday oraliq reaksiya ro’y bermaydi. Murakkab strukturali yarim oʻtkazgichli plyonkalar uchun (AsGa) suyuk fazali epitaksiya usuli ishlab chiqilgan. Shuningdek, yarim o’tkazgichli epitaksial strukturalar yasashda asosan gaz fazalarda yuzaga keladigan reaksiyalar qo’llaniladi. Masalan, GeCl₄, va SiCl₄, larni vodorod bilan qaytarib monokristall plastinka ustida toza Ge va Si monokristallari o’stiriladi. Bu usulda monokristall o’stirish tezligi katta.
Yarim o’tkazgichli qatlamlarni epitaksial o’stirish usullari ikkiga bo’linadi. Bevosita va bilvosita o’stirish usullari. Bevosita o’stirish usulida yarim o’tkazgich modda zarralari manbadan podlojka (taglik) ustiga oraliq kimyoviy reaksiyalarsiz to’g’ridan - to’gri suquq fazadan bug’latish yoki changlatish usulida uzatiladi (o’tkaziladi). Bilvosita o’stirish usullarida yarim o’tkazgich atomlari padlojka sirtiga yarim o’tkazgich birikmalari buglarini ajralish (bo’linish) yo’li bilan o’tkaziladi. Bu usullar Ge va Si qotishmalarini (GeCl₄,, va SiCl₄) vodorod gazida qaytarishga asoslangan. Bu usullar gazli epitaksiya usuli deb ataladi. Bu usulning mohiyati quyidagi qurilma asosida tushuntiriladi. Epitaksial plyonkalarni o’stirishga mo’ljallangan qurilma kvars moddasidan yasalgan truba ko’rinishda bo’lib, u reaktor deb ataladi (2 - rasm).
Epitaksial va monokristall plyonkalar integral sxemalar yasashda keng qo’llaniladi. Ular monokristall podlojkalar ustida o’stiriladi. Plyonkalarning tartibli (monokristall) oriyentirlangan o’stirish usuli epitaksiya deyiladi. Plyonkalarning o’zi esa epitaksial plyonkalar deyiladi. Plyonkalar epitaksial o’sishi uchun podlojka va plyonka modalarining kristall strukturasi mos kelishi kerak. Plyonka olishning gazli epitaksiya usulida uchuvchan kimiyoviy birikma podlojkaga kimiyoviy usulda o’tkaziladi. Reaksiya natijasida podlojkaga toza plyonka moddasi o’tiradi. Uning sxemasi quyidagicha:

2-rasm 3-rasm
Unda epitaksial Si plyonkasi o’stiriladi. 1-kvars trubkasi, 2-kremniy plitalari joylashtirilgan, 3 - reaktor trubkasi, 4 - induksion pech yordamida t=1200°C haroratgacha qizdiriladi. Trubka orqali vodorod o’tkazikadi. Podlojka (taglik) ustidan o’tishda SiCl qaytariladi. Podlojka ustida toza Si atomlari o’tiradi. Kameraga H₂ va HCI gazlaridan iborat aralashma yuboriladi. Bu gazlar (bug’lar) Si plastinkasini tozalaydi (yemiradi). Plastinka tozalangandan keyin HCl gazini yuborish to’xtatiladi. Keyin kamerada harorat 1200ºC - 1300°C qilib ushlab turiladi va H₂; SiCl₂ gaz aralashmalari kamerga yuboriladi. Bunda kremniy, tetroxlorid vodorodda qaytarilib quydagicha reaksiya yuz beradi:
GeCl₄ + 2H₂ 《_——》 Si + 4HCl
Epitaksial plyonkalarni o’stirish jarayonida kirishmalarni (aralashma) ham Si kristali sirtiga legirlash mumkin. Legirlash 2 ta usulda amalga oshiriladi.

1. 
   Aralashma alohida gaz oqimi sifatida vodorod bilan qoʻshib yuboriladi.
   
2. 
   Suyuq SiCl₂ ga uchuvchi aralashma birikmalari (PCI, SbCl₂) qo’shib eritma tayyorlanadi va reaksiya kamerasida bug’latiladi.
   

Bu usul bilan avtoepitaksiya va getroepitaksiya plyonkalar olish mumkin. IMS lar yasash texnologiyasida epitaksial plyonkalar o’stirish usulini afzalligi quyidagicha:

1. 
   kristall qatlamlarda aralashmalar tekis taqsimlanadi.
   
2. 
   tranzistorli strukturalarni olish jarayonlari davomiyligi qisqaradi. Hozirgi
   

vaqtda elektron sanoatda epitaksial plyonkalar olishning turli usullar ishlab chiqilgan. Ko’p hollarda yarim o’tkazgichli modda atomlari manbadan kristall plastinka ustiga suyuk fazadan bug’latish, changlatish va sublimasiya usullarida o’tkaziladi. Bunda hech qanday oraliq reaksiyalar ro’y bermaydi. Murakkab yarim o’tkazgichli strukturalar hosil qilish uchun arsenid - galliy asosida suyuk fazali epitaksiya usuli ishlab chiqilgan.
Yupqa plyonka olishning suyuq epitaksiya usuli. Suyuq epitaksiya usuli bilan avtoepitaksial GaAs plyonkasi olish uchun mo’ljallangan qurilmaning sxemasi quyidagicha bo’ladi (3 - rasm). Rasmdan ko’rish mumkinki, 4- pechga joylashtirilgan 5 - grafit idishda metall galliyda GaAs eritmasi joylashgan va uning yonida GaAs dan qilingan podlojka - 7 qoʻyilgan. Eritmada GaAs miqdori shunday olinadiki, shu eritma
T₁ haroratda o’ta to’yingan. T₁ dan kattaroq haroratda to’yinmaydigan bo’lsa, idish T₁ gacha qizdirilgandan keyin uni gorizontal holatda qo’yiladi va pech o’chiriladi. Pech sovishida eritmaning to’yingan bug’i podlojkaga o’tiradi, uni qoplab oladi. Shunday o’ta to’yingan eritmadan podlojkada GaAs ning monokristall plyonkasi olinadi. Radioelektron asboblar (REA) ni yasash texnologiyasida bu usullardan tashqari o’tirish va anodlash, elektrokimyoviy usullar ham keng tarqalgan.
Yupqa plyonka olishning termik changlatish usuli.Yupqa (parda) plyonka olishning termik changlatish usuli haqida ma’lumot berilgan edi. Plyonka olishning ushbu usuli plyonkali mikrosxemalarni tayyorlashda keng qo’llaniladi. Bu usuldan foydalanib qanday qilib plyonkali mikrosxemalar ishlab chiqarishni ko’raylik.Passiv radiotexnik elementlar podlojka sirtiga o’tkazuvchan va ximiyalovchi’ moddalarni changlatish (purkash) yoki boshqa usullar bilan Yupqa parda qatlami hosil qilinadi. Bunda podloka (taglik) dielektrik materialdan yasalgani uchun elemenlarni bir - biridan ximoyalashga hojat qolmaydi. Vakuumda termik changlatish usuli bilan qarshilik, kondensator va induktivlik g’altaklari yasaladi. Plyonka olishning vakuumda termik changlatish usulining mohiyati bilan tanishamiz. Yupqa plyonka olishga mo’ljallangan vakuum qurilma (postlari)larining qalpog’i ostida maxsus idishchalar (tigellar) ga changlatiladigan modda solinib, erish haroratigacha qizdiriladi. Bu idishlar tigellar deb ataladi. Moddalar erish haroratidan yuqori haroratlarda bug’lanib, podlojka ustiga o’tiradi. Plyonka olish jarayonida uning qalinligi maxsus zaslonka yordamida boshqarilib turiladi. Olingan plyonkaning sifati vakuum darajasiga, podloj materialining tozaligiga va boshqa omillarga bog’liq bo’ladi.
Plyonka olish paytida vakuum kattaligi 10^-5 - 10^-6 mm simob ustuniga teng bo’lishi kerak. Changlatish vaqti bir necha soniyadan bir necha daqiqagacha davom etadi. Dastlabki modda (material) va maska (trafaretlar) larni o’zgartirib, bir sikl operasiya davomida ko’p sondagi o’tkazgichlar, rezistor va kondensatorlarni hosil qilish mumkin. Odatda Yupqa plyonkali o’tkazgichlar sirtida vakuumda changlatiladigan oltin va alyuminiy qatlamlaridan foydalaniladi. Oltin ximiyaviy jihatdan turg’un bo’lganligi uchun amalda istalgan dielektrik materiallar bilan birga ishlatilishi mumkin va karroziyadan ximoyalanishga hojat qolmaydi. Alyuminiy moddasi kondensator qoplamalari va o’tkazgich yo’lakchalarini tayyorlashda keng qo’llaniladi. Yupqa plyonkali rezistorlar gibrid IMSlarda ko’p qo’llaniladigan elementlardan hisoblanadi. Masalan, chiziqli zanjirlar uchun bitta yarim o’tkazgichli asbobga o’rtacha 7-8 ta rezistor to’g’ri keladi. Rezistorlar yassi podlojkaga ingichka polosalar ko’rinishida purkaladi va yuqori o’tkazuvchanlikka ega bo’lgan maydonchalarda tugaydi. Yupqa plyonkali rezistorlarda katta qarshiliklarni olish uchun ularga murakkab shakl beriladi. Yupqa plyonkali rezistorlarning asosiy parametrlari sifatida quydagilarni aytish mumkin: To’la qarshiligi R, (Om), plyonkaning solishtirma sirtiy qarshiligi ρ_s; Om / mm² rezistorning ruxsat berilgan qarshiligining nisbiy o’zgarish ΔR/R. Yarim o’tkazgich MS rezistorlarni bir necha usullar bilan hosil qilinishi mumkin IMS larda o’tkazgich materialining Yupqa qatlamidan iborat rezistorlar qo’llanildi. Bunday rezistorlar diffuzion rezistorlar deyiladi. Diffuzion rezistorlar chiziqli bo’lib kuchlanishni ishchi intervalida Om qonuniga bo’ysunadi. Diffuzion rezistor qarshiligi quyidagi formula bilan hisoblanadi:
R = ρl/bd = ρSl/b (5)
Bu erda, l va b mos holda rezistor qatlamini uzunkigi va kengligidir. ρ - diffuzion katlamning solishtirma qarshiligi ρ _s. [Om•sm]. Agar rezistor donor aralashma bilan legirlangan bo’lsa, undagi solishtirma qarshiligi: ρ = 1/(q•n_d •μ_n) (6)
(6) ni (5) ga qo’yib rezistor qarshiligini topamiz:
R_δ = l/(e•μ_n•n_d bd) (7)
Akseptorli aralashma bilan legirlangan rezistor uchun.
R_δ = l/(eμ_n•n_a bd) (9)
Bunda, e - elektron zaryadi; n_d va n_a mos ravishdosh donor va akseptor aralashmalar konsentrasiyasi. Diffuzion rezistorlar odatda tranzistorlarni tayyorlash bosqichlarining birida birdaniga tayyorlanadi. Endi IMS larda kondensatorlar qanday yasalishini ko’raylik. IS da kondensator sifatida p - n o’tishning baryer sig’imi qo’llaniladi. Yarim o’tkazgich sirtida himoyalangan katlam hosil qilish yo’li bilan yasaladi.
Kondensatorlarning asosiy parametrlariga uning C nominal sig’imi, maksimal ruxsat etilgan ishchi kuchlanishi, sig’imining harorat koeffisienti kabilar kiradi.