MALZEME BİLİMİ VE MÜHENDİSLİĞİ MALZEME ÜRETİM LABORATUVARI II YÜZEY KAPLAMA TEKNİKLERİ Yüzey, bir maddenin kendi dışındaki ortamla temasta olan kısmı, çevreyle olan sınırı olarak tanımlanmaktadır. Maddenin çevreyle olan tüm etkileşimleri yüzey üzerinden olmaktadır. Malzemelerin yüzeyi tarafından belirlenen kimi özellikler aşağıdaki gibi özetlenebilir; Sürtünme ve aşınma özellikleri Korozyon davranışları Yüzeye bağlı mekanik özellikleri(yorulma) Dış görünüm ve renkleri Optik özellikleri Fotoelektrik özellikleri Komşu maddeye difüzyon özellikleri Yapışma özellikleri Elektronik kontak özellikleri Isıl elektron emisyon özellikleri Bu özellikler açısında malzemenin davranışı aslında onun yüzeyinin davranışı tarafından belirlenir. Görüldüğü gibi bu tür özelliklerin arzulandığı malzemelerde, malzemenin tümünü iyileştirmek yerine sadece yüzeyini iyileştirmek yeterli olabilmektedir. Örnek olarak dış görünüm ve korozyondan korunmak amacıyla metal malzemelerin boyanması verilebilir. Yüzeylerin kaplanması için değişik yöntemler mevcuttur; bunların başında kimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerle malzemelerin kaplanması gelmektedir. Günümüze kadar bu yöntemlerle malzemelerin kaplanması korozyondan korunma ve dekoratif görüntü kazandırma amaçlarıyla yapılmıştır. Aşınmaya dayanıklı kaplama üretimi için sert malzemelerin yüzeye biriktirilmesi gerekmektedir. Bunları elektrokimyasal yöntemle üretmek mümkün değildir. 1. FİZİKSEL BUHAR BİRİKTİRME (PVD) Günümüz teknolojisi, bir tek malzemeden elde edilmesi mümkün olmayan çeşitli özelliklerin kombinasyonuna sahip malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Bu amaç için kaplama tekniklerinden faydalanılmaktadır. Yüksek teknoloji uygulamaları için önemli kaplama yöntemleri; plazma ve termal spreyleme teknikleri, elektro biriktirme, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve fiziksel buhar biriktirme(pvd) prosesleridir. PVD prosesleri bazı üstün özellikleri sebebiyle kaplama teknolojisinde önemli bir yere sahiptirler. Bu özellikler şu şekilde sıralanabilir: a) PVD teknolojisiyle teorik olarak tüm metal, alaşım, seramik ve polimer kaplamaları elde etmek mümkündür. Yani hemen hemen her kaplama, her taban malzeme üzerine biriktirilebilir.
b) PVD teknolojisiyle kaplamaların yanı sıra; saç, folyo, boru gibi parçalar da biriktirilebilir. c) Kaplamalar mükemmel yapışma özelliğine sahiptirler. d) Biriktirme hızı aralığı oldukça geniştir; bu nedenle yüksek hızda üretim yapılabilir. e) Kaplama sonrası yüzey pürüzlülüğü, taban malzemenin yüzey pürüzlülüğüyle yaklaşık aynı olduğu için, kaplama sonrası zımparalama ve parlatma gibi yüzey işlemlerine ihtiyaç duyulmaz. f) PVD proseslerinin hiçbirinde, çevre problemlerine yol açan zehirli atıklar oluşmaz. g) Kontrollü vakum ortamı ve saf kaynak malzemelerinin kullanılması nedeniyle yüksek saflıkta birikimler elde edilir. PVD proseslerinin uygulama alanları şu şekilde sınıflandırılabilir; Dekoratif amaçlı uygulamalar: Oyuncaklar, takılar, gözlük çerçeveleri, saatler vb. Optik uygulamalar: Lazer optikler, aynalar, projektör yansıtıcıları, kameraların optik elemanları vb. Elektrik uygulamaları: Yarı iletken parçalar, entegre devreler, kapasitörler, rezistörler, süper iletkenler, güneş pilleri vb. Tribolojik uygulamalar: Yağlayıcı filmler, kesici takımlara yapılan sert kaplamalar vb. Kimyasal uygulamalar: Korozyona dirençli malzemeler, uygulamaları. gaz türbin motorları, denizcilik 1.1 PVD Prosesleri PVD tekniği, vakum altında bulunan malzemelerin buharlaştırılarak veya sıçratılarak atomların yüzeyden kopartılması ve kaplanacak olan alt malzeme yüzeyine atomsal veya iyonik olarak biriktirilmesi esasına dayanır. PVD prosesleri ikiye ayrılır. Bunlar, buharlaştırma ve sıçratma yöntemleridir. Bu iki yöntemde de kaplanan kütleye negatif potansiyel(bias) uygulanması ve atomların iyonize edilmesi durumunda yönteme iyon kaplama adı verilmektedir. PVD yöntemleri şekil 1.1 de sınıflandırılmıştır.
Şekil 1. PVD Yöntemleri 1.2. Buharlaştırma teknikleri Buharlaştırma yöntemiyle yapılan PVD kaplamalar için gerekli olan buhar fazı, rezistansla, indüksiyonla, elektron bombardımanıyla ve katodik arkla buharlaştırma yöntemleriyle elde edilir. Buharlaştırma prosesi genellikle 10-5 -10-6 torr vakum altında gerçekleştirilir. Böylece buharlaştırılan atomlar bir hat boyunca çarpışmasız olarak taşınır ve taban malzeme üzerinde yoğunlaşır. Taban malzemeye genellikle bias voltajı uygulanmaz. Rezistansla buharlaştırma Rezistansla buharlaştırma sisteminde, buhar fazının elde edileceği kaplama malzemesi, yüksek sıcaklıklara dayanıklı refrakter potalar içine yerleştirilir. Sistemde ısıtma, pota etrafına sarılmış rezistanslı teller ile sağlanır. Pota malzemesi olarak genellikle molibden(mo) veya tungsten(w) gibi refrakter malzemeler ya da TiB 2 -BN gibi bir metaller arası bileşik kullanılır. Bu yöntem Al, Cu, Ag ve Pb gibi düşük ergime sıcaklığına sahip malzemelerin buharlaştırılmasında kullanılmaktadır. Rezistansla buharlaştırma sisteminin taslağı şekil 1.2 de gösterilmiştir. Şekil 1.2 Rezistans ile buharlaştırmalı PVD sistemi
Bu yöntemde buharlaştırılacak malzemenin yerleştirildiği potada buharlaşarak filmin saflığını bozabilir. Elektron bombardımanıyla buharlaştırma Bir elektron kaynağı aracılığıyla sağlanan elektronların, buhar fazın elde edileceği malzeme üzerine yönlendirilmesi neticesinde ısıtma işlemi gerçekleştirilir. Elektronların odaklanması kolayca yapılabildiği için, yüksek güç yoğunlukları elde edilebilir ve yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemeler vakum ortamında kolayca buharlaştırılabilir. Buharlaştırılan malzemelerin ergime sıcaklığıyla ilgili bir kısıtlama olmadığı için, bu yöntem gün geçtikçe daha yaygın hale gelmektedir. Yöntemde elektronlar, elektron tabancası veya oyuk katot yöntemleriyle üretilebilirler. Elektron tabancası yönteminde, bir flaman tel üzerinden akım geçirilerek telin ısınması ve elektron yayması sağlanır. Elde edilen elektronlar bir manyetik alan yardımıyla hızlandırılarak yönlendirilirler. Elektronları hızlandırmak için 6-10kV civarında bir potansiyel kullanılır. Bu yöntemin taslağı şekil 1.3 te gösterilmiştir. Oyuk katot yönteminde ise, oyuk bir silindi içinde inert gazların kullanımıyla oluşturulan plazma yardımıyla elektron üretimi gerçekleştirilir.
Şekil 1.3. elektron tabancası ile buharlaştırmalı PVD sistemi İndüksiyonla buharlaştırma İndüksiyonla buharlaştırma sistemli PVD kaplamalarda, buhar fazının elde edileceği kaplama malzemesi yüksek sıcaklıklara dayanıklı refrakter potalar içerisine yerleştirilir. Buharlaştırma ise pota etrafına su soğutmalı olarak sarılmış bakır tellere uygulanan RF akımı sonucunda üretilen ısı neticesinde meydana getirilir. Katodik ark buharlaştırma Ark, yüksek akımlı elektriksel yük boşalmaları (atlamalar) olarak tanımlanır. Yüksek akımın verimli bir şekilde ısıya dönüşmesi arkı iyi bir buharlaştırma kaynağı haline getirir. Katodik ark FBB tekniğinde vakum odası anot, kaplama malzemesi ise katot olarak düşük gerilim yüksek akım sağlayan(20-50v, 20-200 A) bir DC güç kaynağına bağlanır. Katod üstüne gönderilen elektrik arkı küçük bir noktaya odaklanarak bu bölgelerde metal buharlaştırılır ve aynı anda iyonize edilir. Taban malzemeye hızlandırma voltajı uygulanması durumunda taban üzerine üniform kaplama yapmak mümkündür. Ayrıca sisteme reaktif gazlar verilerek bileşik kaplamalar yapılabilir. İletken olmak şartıyla alaşım katod malzemeleri kullanılarak çok bileşenli kaplamalar yapılabilir. FBB sisteminin şematik görünümü şekil 1.4 te verilmiştir.
Şekil 1.4. Katodik ark buharlaştırma sistemi Katodik ark FBB yönteminin avantajları şu şekilde özetlenebilir: İletken malzemeler yüksek verimle buharlaştırılabilir. Biriktirme hızı sıçratma yöntemine göre daha yüksektir. Ark FBB plazmasında gerek buharlaştırılan metal gerekse reaktif gazlar yüksek iyonizasyon mertebelerine ulaşabilmektedir. İyonize edilmiş metal buharı ve reaktif gazlar taban malzeme üzerine uygulanan hızlandırma voltajı ile yönlendirilerek verimli kaplama imkanı tanır. Sert ve aşınmaya dayanıklı kaplamalarda sıçratma yöntemine göre daha düşük taban malzeme sıcaklıklarında daha iyi mekanik özelliklere sahip kaplamalar biriktirilebilir. Sıçratma yönteminde olduğu gibi katot zehirlenme yaşansa da bu problem sıçratma yöntemlerine göre daha az sorun teşkil eder. Özellikle yönlendirilmiş Ark ve Manyetik Odaklamalı Ark tekniklerinde katod kullanım verimi sıçratma tekniklerine göre çok daha yüksektir. Büyük kaplama hacimlerinde uygulama şansı yüksektir. Yatırım maliyeti özellikle sıçratma tekniklerine oranla çok daha düşüktür.
1.3. Sıçratma tekniği Sıçratma yöntemi, hedef malzeme yüzeyinin, genellikle plazma veya iyon tabancası aracılığı ile hızlandırılmış atomik boyuttaki yüksek enerjili gaz iyonlarıyla bombardıman edilerek, atomların yüzeyden sıçratılması ve hedef malzeme yüzeyinden koparılan atomların buhar fazına geçerek altlık malzemesi üzerine biriktirilmesi esasına dayanır. Sıçratma işleminde, genellikle pozitif yüklü argon gazı iyonları kullanılmaktadır. Şekil 1.5 te sıçratma yöntemi ve sıçratma mekanizması şematik olarak gösterilmektedir. Sıçratma yöntemi, ısı kullanılmadan momentum transferi aracılığı ile buharlaşmanın gerçekleştiği bir FBB kaplama tekniğidir. Sıçratma yöntemi kaplama yüzeyini bozan dropletlerin oluşmaması, hedef malzeme ile aynı özellikte kaplamaların elde edilebilmesi, sisteme sıçratma amacıyla verilen soy gazlar haricinde reaktif gazlar verilerek bileşik kaplamaların elde edilebilmesi gibi avantajlara sahiptir. Şekil 1.5. Sıçratma yöntemi ve sıçratma mekanizmasının şematik gösterilişi Sıçratma yöntemi diyot, triyot, iyon demeti ve manyetik alanda sıçratma olmak üzere dört grupta incelenmektedir. Plazma içindeki iyonlaşma etkisinin ve biriktirme hızının düşük olması, işlem sırasında altlık malzemesinin ısınarak yüksek sıcaklık değerlerine çıkması, sıçratma prosesinin kullanım alanlarını 1970 li yılların ortalarına kadar sınırlamıştır. Manyetik alanda sıçratma yönteminin kullanılmaya başlanması ile ise, bu olumsuzluklar büyük ölçüde ortadan kalkmıştır. Manyetik alanda sıçratma yönteminde kalıcı mıknatıslar ve elektrik enerjisi etkisi ile hedef malzeme önünde plazma oluşturulur. Kalıcı mıknatıslar aracılığı ile oluşan manyetik alan, hedef malzeme yüzeyine yakın elektronların toplanmasını, bu şekilde iyonlaşma ve sıçratma hızında artış gerçekleşmesini sağlamaktadır. Plazma içinde hızlandırılan iyonlar, hedef malzeme yüzeyinden atom ve moleküllerin sıçratılmasını ve daha sonra altlık malzemesi
üzerine birikmesini sağlamaktadı. Manyetik alanda sıçratma yönteminin prensibi şekil 1.6 da görülmektedir. Şekil 1.6. manyetik alanda sıçratma yöntemi 2. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemleri Kimyasal buhar biriktirme yöntemi (CVD), yüksek saflıkta katı malzemeleri üretmek için kullanılan bir işlemdir. 1900lü yılların başından beri kullanılan bu metot, ince filimler üretmek amacı ile yarıiletken endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Uygulamalarının büyük çoğunluğunu, yüzeylere katı ince film kaplama süreçleri oluşturmasına rağmen, kompozit imalatı gibi yüksek saflıkta yığın ve toz malzemelerin sentezlenmesi için de kullanılır. Periyodik cetveldeki birçok elementin yüksek saflıkta elde edilmesi, CVD ile mümkündür. Geleneksel CVD sürecinde, çember içinde yer alan ısıtılmış alttaş üzerine çökmesi veya birikmesi için bir veya birden fazla gaz formdaki bileşenlere maruz bırakılır. Kimyasal reaksiyonlar, yüzeyin ince film kaplanması için, sıcak yüzeyin üzerinde veya yakınında olur. Bu süreçlere, vakum kazanından atılan ve reaksiyona girmemiş öncü gazdan oluşan yan ürünler de eşlik ederler. CVD süreçleri genel olarak aktivasyon süreçlerine ve koşullara göre farklılaşırlar. Reaktörlerin sıcak veya soğuk duvarlı olabildiği; basıncın, vakum ve atmosfer basıncından büyük değerler alabildiği; taşıyıcı gazın kullanıldığı veya kullanılmadığı; tipik sıcaklık aralığı 200-1600 C olan sentez koşullarına sahiptir. Bu koşullardan farklı olarak, plazma, iyon, foton, lazer, sıcak filamanlar veya yanma reaksiyonlarıyla çökme hızını artırmak için ve/veya çökme sıcaklığının düşürülmesi gibi, geliştirilmiş CVD süreçleri de mevcuttur. CVD süreçleri genel olarak; 1) uygulama, 2) süreç ve kullanılan reaktör,
3) öncü gaz ve kullanılan kimyasal reaksiyonuna göre kategorize edilebilir. CVD süreçlerinin altında yatan temel prensipler; her biri hem katı hem de gaz formda oluşabilecek kütle transfer etkileri ve kimyasal etkiler başlıkları altında özetlenebilir. Tablo 1 CVD Teknikleri Atmosferik basınçta CVD (APCVD) Operasyon basıncına göre Buharın fiziksel karakterine göre Düşük basınç CVD (LPCVD); indirgenmiş basınçta istenmeyen gaz fazı reaksiyonlar azaltılabilir, alttaş boyunca filmde tek düzelik sağlanabilir Ultrayüksek vakum CVD (UHVCVD) prosesleri çok düşük basınçlarda yaklaşık, 10-6 Pa(~10-8 torr) altında. Aerosol destekli CVD (AACVD) - ultrasonik olarak üretilmiş öncü gazların alttaş üzerine sıvı/gaz aerosolları yoluyla transferi. Uçucu olmayan öncü gazlar için uygun bir süreçtir. Doğrudan sıvı enjeksiyonlu CVD (DLICVD) - öncü gazlar sıvı formdadır, sıvı çözeltiler buharlaştırma çemberine enjekte edilir. Bu teknik, sıvı ve katı öncüler için uygundur. Yüksek büyüme hızına bu teknikle ulaşılabilir Mikrodalga plazma destekli CVD (MPCVD) Plazma Metodları Plazma - geliştirilmiş CVD (PECVD) bu süreçte öncülerin kimyasal reaksiyon hızını artırmak için plazma kullanılır. Yarıiletkenlerin üretiminde kritik bir özellik olan düşük sıcaklıklarda çökme süreçlerine izin verir. Uzaktan kontrollü plazma - geliştirilmiş CVD (UCPECVD) alttaşın doğrudan plazma deşarj bölgesinde olmaması dışında PECVD ile benzerlikler gösterir. Alttaşın plazma bölgesinde olmaması süreç sıcaklığının oda sıcaklığından düşük olmasını sağlar. Bu yöntemleri dışında, değişik alttaşlara düzenli, katmanlı, kristalin film üretimi için atomik tabakalı CVD (ALCVD) kullanılır. Yüksek kaliteli ince filimler ve nanomalzeme üretimi için alev tabanlı atmosfere açık süreçler kullanılan yönteme yanma reaksiyonlu CVD (BCVD) (katalitik CVD (kat-cvd)) denilir. Sıcak filaman kullanılarak, kaynak olarak kullanılan gazın kimyasal olarak ayrışmasıyla gerçekleştirilen yönteme sıcak tel CVD (HFCVD) denilir. Metalorganik öncülerle yapılan CVD yöntemine Metalorganik CVD (MOCVD) denilir. Öncü gazın kimyasal olarak çökmesi ile birlikte katı yüzeyin buharlaşmasıyla yapılan buhar çöktürme süreçli Hibrid Fiziksel - Kimyasal BB (HFCVD); ısıtma lambaları kullanılarak alttaşın hızlıca ısıtıldığı Hızlı Isıl CVD (FTCVD) ve buhar faz epitaksi (BFE) gibi CVD yöntemleri de mevcuttur.
Şekil 2.1 Temel bir kimyasal buhar biriktirme prosesi a) Gaz fazındaki reaktanların altlığın çevresindeki sınır tabakasına taşınımı b) Altlık yüzeyine sınır tabakası boyunca gaz fazındaki reaktanların taşınımı (difuzyon ve konveksiyonal akış) c) Altlık yüzeyine reaktanların adsorpsiyonu d) Kimyasal reaksiyon e) Çekirdeklenme f) Altlık yüzeyinden bazı reaksiyon ürünlerinin desorpsiyonu g) Sınır tabakası boyunca reaksiyon ürünlerinin gaz karışımı ile taşınımı f) Reaksiyon ürünlerinin sınır tabakasından taşınımı Isısal Kimyasal buhar biriktirme yöntemi CVD yöntemleri içinde belki de en çok kullanılanı ısısal kimyasal buhar biriktirme yöntemidir. Bu yöntem yukarıda belirtildiği gibi birçok ince filmi kaplamak için kullanılmaktadır. Polikristal folyolar üzerine ya da elektron demeti buharlaştırma yöntemi ile Si/SiO 2 altlık üzerine buharlaştırma yoluyla biriktirilen Cu veya Ni yüzeyler oluşturulur. Bu yüzeylerde tipik bir düşük basınçta Kimyasal Buhar Çöktürme (LPCVD) veya atmosfer basınçlı CVD (APCVD) metotlarıyla, katı çözelti oluşturarak 5 dakika 7 saat zaman dilimi aralıklarında taşıyıcı gaz eklenerek (Ar veya He gibi) veya eklenmeyerek grafen büyümesi sağlanabilir[48]. Bu sayede düşük maliyetli ve HOPG (Son derece düzenli pirolitik grafit) den mikro mekanik olarak ayrışma yoluyla elde edilmiş grafen tabakaları ile benzer kalitede özellikler gösteren fakat onun gibi küçük ölçeklerle sınırlı kalmayan tek tabakalı ve büyük boyutlu grafen film sentezi yapılabilir. Bu sentez esnasında grafenin büyümesini etkileyen birçok parametre bulunmaktadır; 1) ısıtma hızı 2) sıcaklık 3) tavlama süresi 4) ısıtma, tavlama ve büyüme işlemleri sırasında sisteme gönderilen gazlar
5) büyüme süresi 6) vakum değeri 7) alttaşın özellikleri (pürüzlülük, kalınlık, üzerindeki karbon çözünürlük değerleri) 8) soğutma hızı 9) metan akış yoğunluğu Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntem (PECVD) PECVD, plazma tabanlı bir kimyasal buhar depolama tekniğidir. PECVD nin en çok dikkat çeken özellikleri farklı mikro yapılarda, farklı kompozisyonlarda, yüksek biriktirme oranlarında homojen ince film oluşturmada çok başarılı olmasıdır. PECVD nin en önemli avantajı da düşük sıcaklıklarda (200-250 0 C) düşük maliyetli ince film üretebilme kabiliyetidir. Tablo 2. Plazma ortamında gerçekleşen reaksiyonlar Tablo 1.3 de de görüldüğü gibi plazma içinde gerçekleşen bir çok reaksiyon vardır ve bunların çoğu kontrol edilemeyen karmaşık reaksiyonlardır ki bu da PECVD metodunu karmaşık bir hale getirmektedir. Buna ek olarak, yine Tablo 1.3 de görüldüğü gibi, PECVD işlemi esnasında gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar ikiye ayrılır; gaz fazında gerçekleşen reaksiyonlar ve yüzey-altlık reaksiyonlarıdır. Plazma; nötral atomlar, serbest moleküller, elektronlar, birçok farklı seviyede uyarılmış durumda bulunan iyonlar ve radikallerden oluşmuş iyonize gaz olarak tarif edilebilir. Plazma
oluşturmak için belli bir basınç değerine sahip ve ilgili gazla doldurulmuş bir vakum kazanına yeterli miktarda voltaj uygulanmalıdır. Yüksek elektrik alan veya manyetik alan kullanılarak iyonize olmuş gaz elde edilebilir. Fakat her iyonize gaz plazma değildir. Bu yüzden iyonizasyonun devamlı olması gerekmektedir.. Yüksek elektrik alan veya manyetik alan kullanılarak elde edilen plazma soğuk plazma olarak bilinir. Soğuk plazmalar, elektron sıcaklığı (T e ) ve gaz sıcaklığı (T g ) ardında termal dengede değildirler (T e >T g ). Dengenin olmadığı bu ortamda kimyasal reaksiyonların başlaması için gerekli olan eşik enerjisi uyarılmış reaktanlardan ve elektronlardan sağlanır. Bu, işlem sıcaklığının termal CVD den neden daha düşük olduğunun sebebidir. Plazma sisteminde ince film oluşturma işlemini aşağıdaki maddelerle özetlenebilir; i. Kaynak Gazının difüzyonu, ii. Kaynak gazının ayrışması için inelastik elektron çarpması işlemi, iii. Gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlar ve reaktif türlerin altlık yüzeyine doğru difüzyonu, iv. Altlık yüzeyine reaktif türlerin absorpsiyonu ve bu türlerin yüzey reaksiyonları, v. Reaktif türlerin yüzey difüzyonu. Adacıklı çekirdeklenme ve sürekli ince filmde adacıklarında birleşmesi, vi. Büyütme bölgesinden, büyütülen filmin salınım ile taşınması ve ayrılması CVD ve PVD tekniklerinin karşılaştırılması: PVD teknikleri nispeten düşük sıcaklıklarda yapılan kaplama işlemleridir. Hemen her türlü malzeme, altlık malzemesi olarak kullanılabilir. CVD tekniklerinde öngörülen kimyasal reaksiyonlar için C gibi yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyulur. Bu nedenle her malzeme altlık malzemesi olarak kullanılamaz. CVD tekniklerinde kullanılan gazlar çoğu zaman çevre için zararlıdır, iş güvenliği ve çevre koruması amacıyla ek donanımlara ihtiyaç duyar. PVD teknikleri çevre dostudur. Yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle CVD donanımlarının yüksek sıcaklıklara dayanıklı malzemelerden yapılması gereklidir. PVD tekniklerinde böyle bir zorunluluk yoktur. PVD tekniklerinde yüksek vakumlarda çalışılması gerekmektedir, fakat CVD tekniklerinde çoğu uygulamada yüksek vakuma ihtiyaç duyulmaz; bu sebeple yüksek maliyeti vakum sistemlerine gerek yoktur. CVD tekniklerinde kaplama bileşenleri gaz halinde bulunduğu için altlık malzemenin her tarafı üniform olarak kaplanabilir. Büyük altlık malzemelerini hareket ettirmeden kaplamak mümkündür. PVD tekniklerinde ise kaplama bileşenlerinden en az biri katı haldeki bir kaynaktan veya hedeften sağlandığından malzemenin kaynağa bakan yüzü kaplanır. Üniform bir kaplama elde etmek için altlık malzemesinin kaynak veya hedefe göre hareket ettirilmesi gerekir. 3. Döndürme ile kaplama yöntemi (Spin coating) Sert bir tabaka veya az eğimli taban üzerine ince film üretmek için kullanılan bir işlemdir. Bu işlem için kullanılan taban daha küçük bir boyuta indirilir. Döndürme işlemi ile film kaplama
4 safhaya ayrılabilir. Bu safhalar: kaplama, döndürme, döndürmeyi sonlandırma ve buharlaştırma safhalarından oluşur. Kaplama safhasında, yüzey üzerine bir miktar sıvı dökülür. İkinci safha olan döndürmede ise, sıvı merkezcil kuvvet nedeni ile radyal bir şekilde taşıyıcı yüzeyin dışına doğru akar. Döndürme sonunda, fazla olan sıvı taşıyıcı yüzeyinden taşarak yüzeyi terk eder. Film kalınlığının azalması ile yüzeyden taşan sıvının miktarı azalır. Bu olayın nedeni filmin incelmesi ile akışkanlığa karşı olan direncin büyümesi olarak açıklanabilir. Aynı zamanda uçucu olmayan madde konsantrasyonundaki artış, akışkanlığa karşı direncin artmasına sebep olur. Buharlaşma safhası filmlerin incelmesindeki son ve en önemli safhadır. Şekil 3.1. Döndürme Kaplama Tekniğinin Şematik Gösterimi Biriktirme aşamasında, dönecek yüzeye sabitenmiş olan taşıyıcı üzerine sol damlatılır. Başlangıçta durmakta olan taşıyıcı döndürülür. Taşıyıcı, mümkün olan en kısa sürede istenilen dönme hızına ulaşmalıdır. Çünkü dönme hızının sabit olması, film kalınlığının düzgün olmasını etkileyecektir. Dönme sırasına, taşıyıcı üzerine damlatılmış sol merkezkaç kuvvetinin etkisi ile taşıyıcının tüm yüzeyine yayılır. Eğer sol fazla miktarda damlatılmışsa, fazlalık sol taşıyıcı üzerinden savrulur. Dönme esnasında, filmin kalınlığı azalır. Dönme sonunda, filmin kalınlığı taşıyıcının her yüzeyinde aynı olur. Döndürme kaplama metodunun avantajı, durdurma aşamasında sıvı filmin kalınlığının düzgün olması ve sonuna kadar bu eğilimde kalmasıdır. Bu dışa doğru olan merkezcil kuvvet ile, içe doğru olan viskozitenin neden olduğu sürtünme kuvvetinin birbirini dengelemesinden olmaktadır. Ardından buharlaşma aşaması gelir. Çözeltinin dağıtılmasında dinamik ve statik olarak iki yaygın yöntem vardır. Statik dağıtım, çözelti damlasını altlığın merkezine veya merkezine yakın bölgeye damlatılmasıdır. Altlığın boyutlarına ve çözelti viskozitesine bağlı olarak gerekli çözelti miktarı 1-10 mikron arasında değişir. Yüksek viskozitelerde veya büyük altlıklarda yüksek dönme hızlarında altlığın yüzeyini tamamen kaplaması için daha fazla çözelti damlatılması gerekir. Dinamik dağıtım ise altlık düşük hızlarda dönerken çözeltinin damlatılmasıdır. Bu proseste yaklaşık 500 dev/dak dönüş hızları kullanılır. Bu hızlar sıvının tüm altlık boyunca dağılmasını ve daha az çözelti kullanılmasını sağlar. Altlık veya çözelti zayıf ıslatma özelliğine sahip olduğunda bir avantaj sağlar ve filmde boşluk oluşmasını engeller. Sonra yapılacak işlem istenilen kalınlıkla film üretmek için yüksek hızda çözeltiyi altlık üzerine dağıtmaktır. Bu adım için yine
çözeltinin niteliklerine bağlı olarak tipik dönme hızı 1500 6000 dev/dak arasındadır. Bu adım on saniye ile birkaç dakika arasında sürebilir. Döndürme hız kombinasyonu ve zaman bu adımda film kalınlığını tanımlamak için seçilecek niteliklerdir. Genel olarak, yüksek dönme hızı ve uzun döndürme daha ince film oluşmasını sağlar. Başka bir adım olan yüksek hızda kurutma işlemi sonra uygulanır ve bu adımda fazla bir incelme olmaz. Bu kalın filmler için avantajlı olabilir. Uzun kurutma süresi, kullanmadan önce filmin fiziksel istikrarını artırmak için gereklidir. Kurutma adımında sorun olmasa bile kullanma esnasında döndürme kabından çıkarırken maddeyi bir tarafa dökme gibi sorunlar olabilir. Döndürme kaplama metodunun avantajları; Taşıyıcının boyutu ne olursa olsun, kaplama için diğer metodlara göre daha az sıvı kullanılır. Hızlı bir metod olup, zamandan tasarruf sağlar. Çok-katlı uygulamalar için idealdir. Ticari donanımlarının bütün türleri mevcuttur. Döndürme kaplama metodunun dezavantajları; Yalnızca dairesel taşıyıcılar için uygun bir metoddur. Temiz tutulması ve büyük taşıyıcıların homojen kaplanması zordur. Yalnızca Newtoniyen sıvılar için uygundur. Uygulamaları Entegre devrelerde Optik aynalarda Manyetik disklerde veri depolamak için Güneş pillerinde Dedektörlerde Sensörlerde Nano boyuttaki cihazlarda (kuantum noktalar, karbon nanotüpler) DVD ve CD Rom yapımında Mikro devre yapımında silikon devre yapısını foto direnç ile kaplamada Mikrodevrelerde polimer gibi yalıtkan tabaka kaplamada Düzlem ekran kaplamalarda Gaz sensörlerinde LED imalatında Yarı metal dielektrik uygulamalarda Organik LED diyotlarda 4. Daldırma ile kaplama yöntemi (Dip coating) Bu metot genelde saydam tabakalar üretmek için kullanılır. Daldırarak kaplama metodu, hazırlanan çözelti içine kullanılan altlık malzemesinin belirli bir hızla daldırılıp ve yine aynı hızla geri çekilmesi esasına dayanır. Daldırma ile kaplama metodu beş aşamada gerçekleşir. Bu safhalar: daldırma, yukarı çekme, kaplama, süzülme ve buharlaşma şeklindedir. Bu işlem sonucunda film oluşturulur. Daldırma aşamasında taban sabit bir hızla solün içine daldırılır, yukarı çekme aşamasında ise, daldırıldığı hızla beklenmeden yukarı çekilir. Üçüncü safha olan kaplamada ise, taşıyıcının sol
ile temasa giren kısımları kaplanmış olur. Bu aşamada yer çekimi kuvveti, sol ile taban arasındaki taşıyıcı kuvveti ile yüzey gerilim kuvvetleri etkilidir. Daldırma sonunda, fazla olan sol damlacıkları taban kenarlarından süzülerek yüzeyi terk ederken süzülme işlemi ile yüzeyi terk edemeyen sol damlacıkları buharlaşarak uçar. Tüm bu aşamaların ardından taban üzerinde kalan sol tavlama işlemi sonucunda film haline dönüşmektedir. Daldırarak kaplamanın bir avantajı, her şekilde ve boyutta tabanların kaplanmasının mümkün olmasıdır. Bu işlem ile düzgün ve kontrol edilebilen bir kalınlık elde edilebilir. Bunun sonucu olarak da film kalınlığı, yüzey boyunca homojen bir özellik göstermesidir. Filmin kalınlığı aşağı ve yukarı hareket eden tabakaları ayıran ana akıntının şiddetine bağlıdır. Film oluşumu yönlerinden başlıca kuvvetler şöyle sıralanabilir; yukarı hareket eden taşıyıcının sıvı ile oluşturduğu sürtünme kuvveti, yerçekimi kuvveti, taşıyıcıya tutunmaya çalışan solun yüzey gerilimi, kaplama alanına ulaşan solün eylemsizlik momenti ve ayırıcı ya da birleştirici basınç. Kaplama kalınlığı aşağıdaki denklemle verilmiştir. Bu denklemde; t: kaplama kalınlığı η: sıvının viskozitesi v: alt tabakanın hızı g: yerçekimi kuvveti c: oran sabiti ρ: yoğunluk Şekil 4.1. Daldırma ile kaplama yönteminin şematik gösterimi Avantajları Ön ve arka yüzün aynı anda kaplanmasına imkan tanır. Neredeyse her türden materyalin kaplanmasını sağlar. Madde boşa harcanmaz. Dezavantajları Tüm parçalar sıvı altında kalabilir olmalıdır. Aksi halde maskeleme gerekebilir