İnce Filmler ve Kaplama Teknikleri

İnce film, kalınlığı nanometre boyutundan mikrometrelere kadar uzanan çeşitli katman malzemelerine verilen isimdir. Elektronik yarı iletken aygıtlar ve optik kaplamalar, ince-film yapılardan yararlanılan temel uygulamalardır.

İnce filmlerin en bilinen uygulaması hergün kullandığımız, değişik boyutlarda olabilen bir cam ve arka yüzünde yansıtma sağlayan ince, metal kaplamadan oluşan aynalardır. Çok ince bir film kaplama ile (50nm'den daha ince) çift yönlü aynalar da oluşturulabilmektedir.

Optik kaplamaların verimi, çeşitli kalınlıklara ve yansıtma indekslerine sahip çoklu katmanlardan oluşturulan ince filmler sayesinde arttırılmaktadır. Benzer şekilde çeşitli malzemelerdeki ince filmlerin periyodik yapısı, elektronik olguları iki-boyuta sınırlayacak şekilde kuantum hapis olgusunu kullanan süperlatis adındaki yapıları oluşturabilir.

Ferromanyetik ve ferroelektrik ince filmler kullanılarak bilgisayar hafıza aygıtları üretilir. Farmakolojide dahi yer bulan ince filmler ince-film bataryaları ve renk-hassasiyetli güneş pillerinde de kullanılır.

Seramik ince filmler yaygın kullanım alanına sahip olup dayanıklı ve sert seramik malzemelerle yapılan bu ince film kaplamalar söz konusu cisimleri yıpranma, oksitlenme ve aşınmadan korumaktadır. Özellikle kesim aletlerinde bu tarz kaplamaların kullanılması bu aletlerin ömrünü birkaç kat uzatmaktadır.

Üzerinde araştırması süren inorganik oksit malzemelerden yapılmış yeni bir ince-film tipi sayesinde ileride daha ucuz, stabil ve doğaya dost şeffaf transistörler üretilebilecek.


YERLEŞİM (KAPLAMA)

Bir yüzeye ince film uygulanması işlemine ince-film yerleşimi denir. İnce film yerleşimi boş bir katmana ya da kaplaması olan bir katmanın üstüne uygulanabilir. "İnce" terimi göreceli bir terimdir fakat çoğu yerleştirme tekniği birkaç on-nanometre'lik bir kalınlık aralığındadır. Tek atom katmanlı yerleşim için "Moleküler Işın Epitaksi'si" kullanılır.

Yerleşim işlemi, optik (örneğin yansıtıcı, anti-yansıtıcı kaplamalar veya kendini temizleyen camlar), elektronik (yalıtkan tabakalar, yarı iletkenler ve entegre devreleri oluşturan iletkenler), paketleme (aliminyum kaplamalı PET filmler vs.) ve çağdaş sanatların (örneğin Larry Bell'in çalışmaları) üretiminde kullanışlıdır. Benzer işlemler bazen örneğin elektrokaplama ile bakırın arıtımı, CVD benzeri işlemle silikon ve zenginleştirilmiş uranyum yerleşimi gibi kalınlığın önemsiz olduğu durumlarda yapılır.

Yerleşim teknikleri, kimyasal ya da fiziksel olmak üzere iki kategoriye ayrılmaktadır.


Kimyasal Yerleşim

Burada, katı bir yüzeyde sıvı bir "öncü" malzeme, kimyasal değişime aracılık ederek katmandan ayrılır. Yaygın örnek olarak, soğuk bir cismin aleve tutulmasıyla oluşan is verilebilir. Akışkan katı cismi çevreleyerek yüzeyde yerleşim sağlanır. Kimyasal teknikle yerleşim yapılan ince filmler "yönsel" olmaktan çok "biçimsel"'dir.

Kimyasal yerleşim, aracı safhasına göre kategorize edilir.

Kaplama işlemi "öncü"'lere dayalıdır, sıklıkla bir metal-tuzu ile su çözeltisi yerleşimi yapılır. Bazı kaplama işlemleri çözeltinin tamamen tepkimeye sokulmasıyla gerçekleştirilir fakat açık ara sıklıkla uygulanan, ticari önemi yüksek olan işlem elektrokaplamadır. Yarı iletken işlemlerinde uzun zamandır kullanılmasa da kimyasal-mekaniksel kaplama teknikleri arasında en çok uygulama bulanıdır.

Kimyasal çözelti kaplaması (CSD) veya kimyasal banyo kaplaması (CBD) işlemlerinde sıvı bir öncünün, sıklıkla organik bir çözücüde çözünmüş organometalik toz çözeltisi kullanılır. Bu görece daha ucuz, basit ince film işlemi stokiometrik olarak tam kristal yapılı safhalar oluşturma imkanı sağlar. Bu teknik aynı zamanda çöz-jel metodu olarak bilinir çünkü burada çöz (veya çözelti) yavaş yavaş jel-benzeri çift fazlı bir sisteme dönüşür.

Spin kaplama veya spin döküm, düzgün, pürüzsüz bir katmana yerleştirilen sıvı ya da çöz-jel bir öncünün yüksek hızda döndürülmesi ile bu çözeltinin katman üzerinde merkezden dışa yayılması işlemidir. Çözeltinin dönmesi ve çözelti viskozitesi sayesinde yerleşim yapılmış film kalınlığı uygun boyuta getirilir. Tekrarlanan yerleşimlerle film kalınlığı arttırılarak istenilen boyuta getirilir. Amorf spin kaplamalı filmleri kristalize etmek için termal işlem kullanılır. Bu tarz kristalin filmler tekil kristal katman üzerinde kristalize edildikten sonra istenilen yönelimi tam olarak sergilemektedir.

Kimyasal buhar yerleşiminde (CVD) genellikle gaz-safhalı öncü (sıklıkla halojen tuzu ya da yerleşimi yapılan elementin hidriti) kullanılır. MOCVD olayında organometalik bir gaz kullanılır. Ticari teknikler sıklıkla öncü gazı çok düşük basınçlarda kullanır.

Plazma geliştirmeli CVD (PECVD), öncü olarak iyonize buhar ya da plazma kullanır. Yukarıdaki is örneğinden farklı olarak ticari PECVD, plazma üretimi için uygulanan kimyasal reaksiyon haricinde, elektromagnetik işlemlere (elektrik akımına, mikrodalga uyarımına) bağlıdır.

Atomik katman yerleşimi (ALD) tek katman ince filmlerin biçimsel yerleşimi için gaz öncü kullanır. Bu işlem, iki yarı reaksiyona ayrılır, diğer katmana geçmeden önce, katmanın yeterli emmeyi sağlamasından emin olunana kadar belli düzende ve tekrar tekrar işlem yapılmaktadır. Böylece ancak ve ancak bir reaktansa yerleşim yapıldıktan sonra ikinci reaktansa yerleşim yapılır, katmanda kimyasal reaksiyonun meydana geliş esnasında da istenilen biçimlendirme yaratılır. Bu aşamalar sebebiyle CVD'ye kıyasla işlem daha yavaş gerçekleşir fakat CVD'den farklı olarak düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir.


Fiziksel Yerleşim

Fiziksel yerleşim için mekanik, elektromekanik veya termodinamik araçlarla katı, ince filmler üretilir. Çoğu mühendislik malzemeleri ancak yüksek enerjiyle bir arada kalabilir ve kimyasal reaksiyonlar bu yüksek enerjiyi depolamak için kullanılamamaktadır. Ticari fiziksel yerleşim sistemleri ise düzgün çalışmak için düşük-basınçlı buhar ortamına ihtiyaç duyar ve bunların çoğu fiziksel buhar yerleşimi (PVD) olarak tasvir edilir.

Yerleşim yapılacak malzeme enerjik ve entropik bir ortama sokularak malzeme parçacıkları yüzeyden koparılır. Bu durumda, alttaki soğuk yüzey, kopan parçacıklardan ayrılma esnasında enerji çeker ve katı bir katman oluşturmalarına imkan tanır. Parçacıkların mümkün olduğunca serbest hareket etmesi için sistem, vakum bir yerleşim odasında tutulur. Parçacıkların düzgün bir yol izleme eğilimi olduğundan dolayı yerleşim yapılan filmler fiziksel anlamda biçimsel olmaktan ziyade sıklıkla yönseldir.

Bir Termal Buharlaştırıcı, malzemeyi eritmek ve buhar basıncını kullanışlı bir seviyeye ulaştırmak için elektrikli reziztans ısıtıcı kullanır. Bu işlem yüksek vakumda yapılıp, hem buharın katmana herhangi etkileşme olmaksızın ulaşmasını (veya diğer gaz-fazlı atomlardan kaynaklı saçılma olmamasını), hem de vakum tüpündeki artık gazlarla birleşmesiyle oluşabilecek safsızlığı azaltmayı sağlar. Açık olarak, yalnızca ısıtma biriminden daha yüksek buhar basınçlı malzemelere film kirlenmeksizin yerleşim yapılabilir.

Moleküler ışın epitaksisi termal buharlaştırmanın kısmen sofistikeleşmiş bir şeklidir. Bir elektron ışını buharlaştırıcısı, malzemenin küçük bir noktasını kaynatmak için bir elektron tabancasıyla yüksek enerjili ışın gönderir. Isıtma biçimi tek tip olmadığı için düşük basınçlı malzemelere yerleşim yapılabilir. Işın çoğunlukla 270 derece açıda tutularak silah tellerinin doğrudan buharlaştırıcı akıya maruz kalmasına engel olunur. Elektron ışını buharlaştırması için tipik yerleşim oranı saniyede 1-10 nanometre aralığındadır.

Moleküler ışın epitaksisinde (MBE) yavaş bir akımla bir element, söz konusu katmana yönlendirilebilir, böylece malzemeye belli bir zamanda tek atomlu bir katman yerleştirilebilir. Galium arsenit gibi bileşiklerin yerleşimi genellikle bir element katmanının (galium) ve sonrasında diğer element katmanının (arsenik) tekrar tekrar ugulanması ile gerçekleştirilir. Bu yüzden, bu işlem fiziksel olduğu kadar kimyasaldır da. Malzemenin ışına tabi tutulması fiziksel araçlar ( örneğin fırın ile) ya da kimyasal reaksiyonlar (kimyasal ışın epitaksisi) tarafından oluşturulabilir.

Plazmaya dayalı sıçratma (sıklıkla argon gibi asal gazlar) malzemeye hedeflenmiş noktalarda bir miktar atomun çarptırılması için kullanılır. Bu işlem, buharlaştırma işlemi olmadığı için hedef, nispeten düşük sıcaklıkta tutulabilir, bu açıdan en esnek yerleşim tekniklerinden birisidir. Farklı bileşenlerin farklı oranlarda buharlaşması mümkün olduğundan özellikle bileşikler ya da karışımlar için kullanışlıdır. Sıçratma işleminin yordamı az çok biçimseldir. Optik medya üretiminde yaygın kullanıma sahiptir. Her türlü, CD, DVD ve BD bu teknik yardımıyla üretilmektedir. Hızlı bir teknik olmasının yanında iyi bir kalınlık kontrolü de sağlar. Şu anda nitrojen ve oksijen gazları da saçılmada kullanılmaktadır.

Darbeli Lazer Yerleşim sitemlerinde Odaklanmış lazer ışığının vuruşları, hedef maddenin yüzeyini buharlaştırır ve plazmaya dönüştürür; bu plazma alt tabakaya geçmeden önce gaz haline döner. İyon ışını yerleşiminin bir çeşidi olan katodik ark yerleşiminde (arc-PVD) katoddan ion patlaması sağlayan elektriksel ark yaratılır. Ark, son derece yüksek yoğunlukta olup yüksek düzeyde iyonizasyonla sonuçlanır (%30 - %100) ve yüklü iyonları, nötr parçacıkları, parçacık kümelerini ve makro-parçacıkları arttırır. Eğer reaktif bir gaz buharlaştırma işlemi esnasında kullanılırsa, iyon akımı ve yerleşim yapılacak film teması süresince ayrışma, iyonizasyon ve uyarılma meydana gelebilir.

Elektrodinamik yerleşim (elektropüskürtme yerleşim) görece yeni bir ince film yerleşim işlemidir. Yerleşimi yapılacak sıvı, solüsyon ya da nano-parçacık formunda olup, yüksek voltaja bağlı kılcal bir burundan geçirilir. Film yerleşimi yapılacak katmana topraklama yapılır. Elektrik alan etkisiyle, kılcal burundan gelen sıvı konik bir şekil (Taylor Konisi) alır ve koni tepesinde, Rayleigh yük limiti etkisiyle çok küçük ve pozitif yüklü damlacıklara ayrılan ince bir fışkırma oluşur. Damlacıklar gittikçe küçülür ve sonuçta tabakada tek tip bir ince film katmanı olarak yerleşir.



Benzer Yazılar
FİZİK MAKALELERİ şimdi Google Play Kitaplar'da

Hiç yorum yok :

Yorum Gönder

Yorum Yap