Ў з б е к и с т о н р е с п у б л и к а с и Олий ва Ўрта махсус таълим вазирлиги Абу Райҳон Беруний номидаги

3.4. Ион имплантация усули билан юзаларни модификация қилиш ва юпқа плёнкалар олиш истиқболлари

Ионлар имплантацияси бу – керакли атомларни ионга айлантириб, уни электр майдони таъсирида қаттиқ жисмнинг юза ва юза ости қатламларига жойлаштириш усулидир. Бунда диффузия ва бошқа усуллардан фарқли ўлароқ ҳар қандай намунанинг истаган атомларини керакли миқдорда кирита олиш имкониятига эга бўлинади. Қаттиқ жисмга четки қўшимча атомларни қаттиқ назорат асосида киритиш усули 1970 йиллардан ривожлана бошлади. Бу усул аввалига Si (ва бошқа ярим ўтказгичлар) юзасига катта энергияли В⁺ ва Р⁺ каби катта энергия билан (50-300 кэВ) ионларни тушириб (бомбардировка қилиб) унинг юза ости қатламларида В⁺ ва Р⁺ атомларини жойлаштиришдан бошланган. Бу соҳада Майер, Эриксон ва Дэви каби олимлар жуда катта ишлар олиб бордилар. Уларнинг тажриба ва бошқа Амалий ҳамда назарий илмий ишлари асосида ҳар қандай намунага (ярим ўтказгич, диэлектрик) керакли ионларни зарур миқдорда киритиб, кейин қиздириш йўли билан турли p ва n сатҳларни ҳосил қилиш мумкин эканлиги исботланди. Бу ҳодиса тезда ишлаб чиқаришга жорий қилина бошлади. 70-йиллардан бошлаб ионлар энергиясини 5-10 кэВга келтириб қаттиқ жисмнинг юза ва юза ости қатламлари физик хусусиятлари кескин ўзгариши мумкин эканлиги аниқланди. Бундай тажрибаларни биринчилар қаторида Убай Арифов бошчилигида ўзбекистонлик олимлар амалга ошира бошлади жумладан, А.Х.Қосимов раҳбарлигидаги олимлар томонидан кичик энергияли ионлар имплантацияси қаттиқ жисмнинг эмиссия хусусиятлари 2-3 марта яхшиланиши 1970-72 йилларда аниқланган. Умуман ионларнинг энергиясига қараб имплантацияни 3 турга шартли равишда ажратилади:

1. 
   Кичик энергияли Е_N≤5-10 кэВ.
   
2. 
   Ўрта энергияли Е_N=5-10 кэВ.
   
3. 
   Катта энергияли Е_N≥5-10 кэВ.
   

Ўрта ва катта энергияли ионлар имплантациясидан асосан ярим ўтказгичларда ҳар хил n ва p ўтказувчанлик ҳосил қилиш, қаттиқ жисмлар сирт ости қатламларида керакли бирикмалар ҳосил қилиш, уларнинг бошқа физик - кимёвий хусусиятлари, ҳаттоки механик хусусиятларини ўзгартириш мақсадида фойдаланиб келинмоқда. Биз қуйида кичик энергияли ионлар имплантацияси усули устида тўхталамиз. Бу усул билан қаттиқ жисмнинг юза ва юза ости қатламларининг хусусиятларини ўзгартириш ва айрим ҳолларда янги кўп компонентли бирикмалар ҳолидаги юпқа пленкалар олиш мумкин. Ион имплантацияси ўта юқори ваккум шароитида олиб борилади. Қурилманинг асосини 3 та элемент ташкил қилади: намуна, ионлар манбаи (тўп) ва иккиламчи зарраларни регистрация қилиш коллектори. Бундан ташқари қаттиқ жисм юзаси таркиби, тузилиши ва хусусиятларини аниқлаш тизими ҳам қурилмада кўзда тутилади. Бундай қурилманинг бизда ишлатилаётган кўриниши қуйидаги тасвирда келтирилган.
Ион имплантация қурилмасининг асосий қисми бу ионлар манбаи – тўпидир. Ионлар тўпининг жуда кўп турлари мавжуд. Лекин уларнинг асосий принципи кам фарқ қилади. Мисол сифатида сиртий потенциал ионланишга асосланган ион тўпининг ишлаш принципини кўриб ўтамиз.
Трубкачага керакли ион олиш учун унинг атомлари ҳосил қилиш керак бўлган бирикма солинади. Масалан Ва ионини олиш керак бўлса, BaTi ёки BaCl₂ тузидан фойдаланиш мумкин. Трубкача қиздирилса, BaCl₂ буғланиб Ba ва Cl₂ атом ва молекулалари ажралади. Cl₂ вакуум насоси ёрдамида сўриб олинади.



3.4-расм. Экспериментал қурилма: ИС-ёруғлик манбаи; ЭП-электрон тўп; М-нишон; ИП1 - газ (Ar⁺, , ) ионларнинг манбаи, ИП2 – ҳосил қилинадиган плёнка атомлари ва молекулаларининг манбаи; ФП-фото қабул қилгич; ОС-экран; БО-қиздирилиш қурилмаси.

Атомлар қаттиқ қизиб турган – чўғланган толага урилади ва унинг бир қисми Ва⁺ ионига айланади. Бунда сиртий ионлашишда фақат бир зарядли ион ҳосил бўлади. Ионлар электр майдони таъсирида ҳаракатланади. Улар фокусланиб кейин сепараторда нейтрал атомлардан ажралиб тезлаштирилган ҳолларда шишанинг юзасига тушади. Охирги электрод ва нишон орасига қўшимча манба улаб, ионларнинг энергиясини исталган миқдорда ўзгартириш мумкин. Ион юзага тушаётган пайтда қандай жараёнлар рўй бериши мумкин? Ионлар имплантацияси жараёнида улар (атомлар) юза ва юза остига жойлашиши, орқага энергиясини йўқотмасдан (эластик) ва энергиясини қисман йўқотиб (пластик) қайтиши мумкин. Бу жараёнда кираётган атомлар панжара орасига жойлашиши; тугунда жойлашиши, тугундаги атомларни суриб қўйиши ёки уларни уриб чиқариши мумкин. Бу айтилаётган жараёнлар бирлик юзага тушаётган ионларнинг миқдори (дозаси) нисбатан кичик бўлган ҳол учун тўғридир. Эмпирик ҳисоб китоблар ва тажрибалар кўрсатадики, агар матрица ва киритилаётган атомларнинг электро-кимёвий активлиги бир-биридан кам фарқ қилса ва уларнинг радиуслари фарқи 15 % дан ошмаса, унда киритилаётган атомлар асосан тугунларда жойлашади ва қаттиқ эритма (қотишма) ҳосил бўлади. Агар матрица ёки четки атомларнинг электр активлиги кескин фарқ қилса, уларнинг тугундаги атомлари кимёвий бирикма ҳосил қилиши мумкин. Агар четки атом диаметри матрица атоми диаметрининг 60% ва ундан кам фоизини ташкил қилса, бу атомлар асосан тугунлар орасига жойлашади ва қаттиқ эритма ҳосил қилади. Тугунлар орасида жойлашган атомларнинг тугундаги атомлардан фарқи шундаки, улар атрофидаги тугун атомлари билан валент боғлар ҳосил қилмайди. Шунинг учун ҳам уларнинг донор ёки акцептор характеридаги сатҳ ҳосил қилиши унинг фақатгина валентлиги билан эмас, балки электроманфийлик даражаси билан ҳам аниқланади. Агар унинг электроманфийлиги матрица атоминикидан катта бўлса, у акцептор хусусиятига кўпрок мойил бўлади, акс ҳолда - донор.

3.5 - а расм. Металл ионлари тўпининг қурилмаси: 1-ионлар манбаи; 2-ионларни тортиб чиқарувчи диафрагмалар тизими; 3-фокусловчи линза; 4-ионларни тезлатиш тизими; 5-ионларни нейтрал заррачалардан ажратиш қурилмаси; 6-ионларни сканлаш (ёйиш) тизими; 7-нишон
Шундай қилиб, қаттиқ жисм юзасида янги бирикма олиш учун кичик энергияли ионлар имплантация усулидан фойдаланиш мумкин. Тажрибалар ва ҳисоб-китоблар кўрсатадики, бунда ионлар энергияси тахминан 0,55 кэВ бўлса, энг оптимал ҳисобланади.



Қуйидаги расмда Si га ҳар хил энергияда киритилган Ba атомларининг тақсимланиши кўрсатилган(3.6-расм)
3.6-расм. Ҳар хил энергия билан киритилган Ва атомларининг Si юза ва юза остидаги қатламларининг чуқурлик бўйича тақсимланиши

Расмдан кўринадики, энергия 5 кэВ дан катта бўлса, юза ҳамда юза ости Ba атомлари камайиб кетади ҳамда янги бирикма ҳосил бўлиш энергияси камаяди. Энергия 0,5 кэВ дан кичик бўлса, Ba атомлари асосан юзада адсорбциялан-ган бўлади.

Ион имплантация жараёнида аввалига жуда кичик дозаларда (D10¹⁴см^-2) алоҳида – алоҳида нуқталардаги ионлар жойлашиши рўй беради. Бу нуқталар янги бирикмалар ҳосил бўлиш марказлари бўлиб хизмат қилади. Тушаётган ионлар миқдори (янги доза) ошган сари бу марказ катталашиб боради. Бу билан бир вақтда юзанинг кристаллиги ҳам бузила бошлайди. Катта дозаларда юза тўлиқ қаттиқ жисм атомлари ва тушаётган атомлар аралашмасидан иборат бўлган аморф плёнкага айланади (3.7 ва 3.8 - расмлар).



3.7-расм. 1кэВ энергияли Ва⁺ ионлари имплантация қилинган Si(100) юзасининг ҳар хил дозадаги электрон микроскопдаги тасвири

Керакли бирикмани ҳосил қилиш ва қайта киристалланиш учун имплантациядан кейин плёнкани қиздириш ёки унга лазер нурлари билан ишлов бериш керак. Қуйидаги расмда қиздиришдан кейинги ҳолат келтирилган.

Ҳар хил бирикма учун ўзига хос ҳарорат мавжуд. Масалан, BaSi­₂ бирикмаси учун 950К, CoSi₂ учун 950К. Кейинги расмда NaSi₂ бирикмаси ҳосил қилингандан кейинги юза ва юза ости қатламлари энергетик – зонавий тузилишининг схематик тасвири келтирилган.
Демак, ион-имплантация ва кейинги қиздириш усули билан ҳосил қилинган плёнкаларда ҳам қаттиқ фазали ва молекуляр-нурли эпитаксия усуллари каби плёнка ва матрица орасида ўтиш қатлами вужудга келар экан. Ўтиш қатламининг кенглиги плёнка қалинлигидан 1,2-2 марта катта бўлади.
Матрица юзасида керакли плёнка ҳосил қилишда матрица кристалл панжараси ва плёнка панжарасининг бир хил бўлиши муҳим аҳамиятга эга. Ўта катта интеграл схемалар олиш, кучли эсда сақлаш қобилиятига эга бўлиш тизимларини олишда ишлатиладиган қатламма-қатлам ҳосил қилинадиган эпитаксиал тизимларда панжара параметрларининг бир-биридан фарқи 0,7% дан ошмаслиги керак. 3.9-расмда BaSi₂/Si ва СоSi₂/Si эпитаксиал плёнкаларнинг электронограммалари келтирилаган. Si учун панжара доимийси a=5.43Е, BaSi плёнкаси учун эса a=5.62Е.




3.8– расм. Ва⁺ ионлари билан легирланган Si(100) юзасининг ҳар хил ҳароратда қиздирилганидан кейинги электронограммалар:
а – Т=300 К (аморф сирт); b – Т=700 К (поликристалл); с – Т=900 К (текстураланган); d – Т=1100 К (монокристалл)




3.9-расм. ВаSi2 ва CoS2 плёнкаларнинг электронограммалари

Шунинг учун электронограммаларда иккиланган рефлекслар ҳосил бўлади. CoSi₂ учун a=5.39 Е ва кремнийникидан жуда кам фарқ қилади. Натижада иккиланишлар рўй бермайди.

Панжара доимийлари фарқ қилган матрица ва плёнка орасида махсус ўтиш қатлами ҳосил қилинади. Бунда «а» нинг қиймати секин-аста ўзгариб боради.