Yüzey, bir maddenin kendi dışındaki ortamla temasta olan kısmı

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 TiB2-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
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.
Buharın
fiziksel
karakterine göre
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/SiO2 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
çeken özellikleri farklı mikro yapılarda, farklı kompozisyonlarda, yüksek
oranlarında homojen ince film oluşturmada çok başarılı olmasıdır. PECVD’nin
avantajı da düşük sıcaklıklarda (200-2500 C) düşük maliyetli ince film
kabiliyetidir.
çok dikkat
biriktirme
en önemli
üretebilme
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 (Te) ve gaz sıcaklığı (Tg) ardında termal dengede değildirler (Te>Tg). 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.
ii.
iii.
iv.
v.
vi.
Kaynak Gazının difüzyonu,
Kaynak gazının ayrışması için inelastik elektron çarpması işlemi,
Gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlar ve reaktif türlerin altlık yüzeyine doğru
difüzyonu,
Altlık yüzeyine reaktif türlerin absorpsiyonu ve bu türlerin yüzey reaksiyonları,
Reaktif türlerin yüzey difüzyonu. Adacıklı çekirdeklenme ve sürekli ince
filmde adacıklarında birleşmesi,
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