Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER Kaplama Teknolojileri Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER

İNCE FİLMLERDE BÜYÜME İnce Filmlerde Büyümenin anlaşılabilmesi için; Çekirdekçiklerin anlaşılması; Altlık ile Film yüzey enerjilerinin; Film oluşumunda altlığın döndürülmesi; Tercihli büyüme; Konuları bilinmelidir.

İNCE FİLMLERDE BÜYÜME ᵧs = Altlığın yüzey enerjisi; Serbest Enerji Değişimi ∆G Kritik yarıçap ᵧs = Altlığın yüzey enerjisi; ᵧf = Filmin yüzey enerjisi; ᵧif = Ara yüzey enerjisi; ai = Şekil parametresi.

YOUNG-DUPRE DENKLEMİ

İNCE FİLM BÜYÜME TÜRLERİ (a) (b) (c) Tabakasal Büyüme (Frank de Merve (FM)) Tam Islatma Adasal Büyüme (Volmer-Weber (VW)) Kısmi Islatma Tabakasal + Adasal Büyüme (Frank de Merve (FM)) Tam Islatma ᵧs ≥ ᵧif + ᵧf ᵧs < ᵧif + ᵧf

İNCE FİLM BÜYÜME TÜRLERİ Yüzey Serbest Enerjisi Oranhı Süperlatis Tabakasal Büyüme sadece kısmi oranlarda kafes uyumsuzluklarını tolore edebilir (Gerilme Enerjisi). → Gerilmenin Gevşemesi ile SK Büyüme türü gözlemlenir.

WULF YAPISI

WULF YAPISI

ÇEKİRDEKLENMENİN NİTELİĞİ Adsorbsiyon Yüzey Difüzyonu Tabakasal Büyüme Çekirdeklenme ve Büyüme Yüzeye Taşınma Adatomların Desorbsiyonu Önemli Değişkenler; Kritik boyuta ulaşmış atomların sayısı; Çekirdeklenme enerjisi; Adsorpsiyon ve difüzyon için aktivasyon enerjileri; Bağ enerjisleri.

ÇEKİRDEKLENMENİN NİTELİĞİ Atomların yoğuşması, Yüzey difüzyonu, Bağımsız adalar şeklinde çekirdeklenme, Adasal Büyüme Adaların büyümesi ve yapışması, Polikristalin adaların ve kanalların oluşumu, Sürekli filmin gelişmesi, Tane&kolonlarda epitaksiyel büyüme Aşırı kolonsal büyüme ve tane kabalaşması, Yeniden Çekirdeklenme Tek elementten elde edilen ince filmler

BÜYÜME MODELLERİ İtici Güç Tatlık/Tergime

Sıçratılmış filmlerden ortaya çıkmış modeldir. BÜYÜME MODELLERİ Sıçratılmış filmlerden ortaya çıkmış modeldir. Ar Basıncı düşüşü ile; Atomlar arası çarpışma azalır; Daha yüksek adatom enerjisi elde edilir. Sıcaklık artışı ile; Altlık yüzeyindeki atomların kinetik enerjisi artar.

BÜYÜME MODELLERİ Zon 1: (Ts < 0,2 Tm) Sınırlı Difüzyon; Çekirdeklenme sonrası rasgele yönlenme; Gölgeleme etkisi görülebilir. Zon T: (0,2- 0,3 Tm) Yüzey difüzyonu Yüksek enerjili kristaller elimine edilir. Zon 2 - 3: (Ts > 0,5 Tm) Yeniden çekirdeklenme Yüzey yada arayüzey enerjilerine bağlı olarak tercihli yönlenme

Kaplama Esnasında Döndürülmüş Kaplama Esnasında Döndürülmemiş SAFİR ÜZERİNDE YSZ Kaplama Esnasında Döndürülmüş Kaplama Esnasında Döndürülmemiş

FİLM BÜYÜMESİ: TEKSTÜR OLUŞUMU Epitaksiyel Filmler: Altlık üzerinde tüm adalar benzeri yönlenme gösterir Çok düşük arayüzey enerjisine bağlı olarak oluşur. Polikristalin Filmler: Adalar farklı yönlenmelere sahiptir. Tane sınırlarının oluşumu. Tane Boyutu: Çekirdekleşme oranı ve tane büyümesi oranının bir fonksiyonudur.

Kaplama Esnasında Döndürülmemiş Kaplama Esnasında Döndürülmüş SAFİR ÜZERİNDE YSZ Kaplama Esnasında Döndürülmemiş Kaplama Esnasında Döndürülmüş

Kimyasal Buhar Biriktirme KAPLAMA TEKNOLOJİLER, İnce Film Biriktirme Katı Partikül Biriktirme Gaz Kimyasal Buhar Biriktirme APCVD PECVD MOCVD LPCVD ALD Fiziksel Buhar Biriktirme Sıçratma Buharlaştırma MBE Sıvı Daldırma ile Kaplama Döndürme ile Kaplaöa Spray Piroliz

SOL ? JEL ? KOLLOİDAL SOLLER?, POLİMERİK SOLLER? SOL-JEL YÖNTEMİ Kolloid : 1~1000 nm tane boyutuna sahip partiküller içeren süspansiyon Yer çekimi kuvveti ihmal edilebilir Partiküller arası etkileşimler küçük seviyedeki kuvvetlerle açıklanır. Düzgün bir dağılım için pH ayarlaması zorunludur. Kolliadal soller zaman zaman partikül solleri şeklinde de tanımlanır. Unif

SOL ? JEL ? KOLLOİDAL SOLLER?, POLİMERİK SOLLER? SOL-JEL YÖNTEMİ Sol: Çözünebilir katıların homojen bir dispersiyonu; 1~10 nm çapında kesikli partiküller içerir. “Kolloidal sol”ler 1~1000 nm yarıçapında yoğun (oksit yada hidroksit) partiküller içerir ve bu nedenle de kolloidal dispersiyonları ve kollaidal süspansiyonları da içerisine alır. Unif

SOL ? JEL ? KOLLOİDAL SOLLER?, POLİMERİK SOLLER? SOL-JEL YÖNTEMİ Unif

SOL JEL YÖNTEMİNDE TERCİH EDİLEN PREKORSURLAR Örn. Al2O3için, prekörsür olarak Al(OC4H9)3 tercih edilebilir, alkoksit Alkenler: CnH 2n+2, C ve H’nin tek bağla birbirine bağlandığı bir molekül, Methan: CH4, ethan: C2H6. Alkil: CnH 2n+1, Alkenden bir hidrojen bağının koparılması ile elde edilmiş molekül, Methyl: ·CH3, etil: · C2H5 Alkol: Alkül grbuna bir hidroksil grubunun eklenmesi ile elde edilmiş molekül. Methanol: CH3OH, etanol: C2H5OH. Alkoksi: Bir alkol molekülünden bir proton koparılması ile elde edilmiş molekül. Metoksi: ·OCH3,, etoksi: ·OC2H5 Unif

R=C2H5 Si O R R=C3H7 Ti O R SOL-JEL YÖNTEMİ Si(OC2H5)4 Ti(OC3H7)4 SİLİKON TETRAETOKSİT (TETRAETİL ORTOSİLİKAT, TEOS) VE Tİ- TETRA-İSOPROPOOKSİT R=C2H5 Si O R Si(OC2H5)4 Ti(OC3H7)4 R=C3H7 Ti O R

SOL-JEL YÖNTEMİ Metal alkoksitler su ile reaksiyona girer Hidroliz Kısmi Hidroliz Si(OR)4 + H2O  HO-Si(OR)3 + ROH Si(OR)4 + nH2O  (HO)n-Si(OR) 4-n + nROH Tam Hidroliz Si(OR)4 + 4H2O  Si(OH)4 + 4ROH R = CH3, or C2H5 yada CnH2n+1 Unif

Sürekli 3-B yoğuşma  polimerizasyon  polimerik jel SOL-JEL YÖNTEMİ İki kısmi hidrolize uğramış ürün reaksiyona girebilir ve bağ oluşturabilir  yoğuşma reaksiyonu (OR)3 Si-HO + HO-Si(OR)3  (OR)3 Si-O-Si(OR)3 + H2O yada (OR)3 Si-RO + HO-Si(OR)3  (OR)3 Si-O-Si(OR)3 + ROH Sürekli 3-B yoğuşma  polimerizasyon  polimerik jel Unif

METALİK TUZLAR → PARTİKÜL ÇÖKELTİLERİ SOL-JEL YÖNTEMİ METALİK TUZLAR → PARTİKÜL ÇÖKELTİLERİ M+n + n H2O  M(OH)n + n H+ Ti+4 + 4 H2O  Ti(OH)4 + 4 H+ Reaksiyon bazik bir ilave ile başlatılır Yoğun çökeltiler Çözeltinin dehidratasyonu ile jelleştirme yada pH artışı ile alkalin jelleştirilmesi yapılabilir ve partiküller arasındaki itici güç azaltılır. Spontane rekasiyonlar  Partikül jelleri oluşturur. Unif

METALİK ALKOKSİTLER → POLİMERİK VEPARTİKÜL JELLERİ SOL-JEL YÖNTEMİ METALİK ALKOKSİTLER → POLİMERİK VEPARTİKÜL JELLERİ Üç Adım: Çökeltilerin ve Polimerik Sollerin eldesi için metal alkoksitler hidrolize edilir Kalıntı metal hidroksitlerin temiz bir sol eldesi için parçalanması. Polimerik ve Partikül Jellerinin oluşumu. Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Bu yöntem sol – gel ile kaplama yöntemlerinin en önemlilerinden birisidir. Hemen hemen saydam iletken tabakaların üretiminde kullanılır. Yöntem, bir cam taşıyıcının hazırlanan sol içerisine belli bir hızda daldırılıp aynı hızda geri çıkarılması yoluyla film kaplanması işlemidir. Bu yöntemle kaplama yapıldığı zaman film kalınlığı, taşıyıcı sole daldırılıp çıkarıldığı esnada, zamanla değişmez Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Daldırma yöntemi daldırma, yukarı çekme, kaplama, süzülme ve buharlaşma (alkol gibi uçucu çözücüler kullanıldığında buharlaşma normal olarak yukarı çekme, kaplama ve süzülme Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Aşamalarında da gerçekleşir) olmak üzere 5 aşamadan oluşur. Daldırmalı kaplama işlemi aşamaları: • Daldırma aşamasında taşıyıcı sabit bir hızla solün içine daldırılır ve yukarı çekme aşamasında, daldırıldığı hızla (10-107 mm/dak) beklenmeden yukarı çekilir. • Kaplama aşamasında, taşıyıcının sol ile temasa giren kısımları kaplanmış olur. • Bu aşamada etkili olan kuvvetler: − yerçekimi − sol ile taşıyıcı arasında ki sürtünme kuvveti ve − solün taşıcıya tutunmasından oluşan yüzey gerilimi kuvvetidir. Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Süzülme aşamasında yukarıda saydığımız kuvvetlerin etkisi altında bazı sol damlacıkları taşıyıcının kenarlarından süzülerek yüzeyi terk eder. • Buharlaşma aşamasında; süzülme aşamasında süzülemeyen sol damlacıkları buharlaşarak uçar. En son olarak taşıyıcı üzerinde kalan sol, fırınlama işlemi sonucu film haline dönüşür. Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Daldırma yönteminde kaplanan filmin kalınlığı; geri çekme hızı, sistemi Newtonyan rejiminde tutacak şekilde seçildiğinde aşağıdaki Landau – Levich tarafından türetilen bağıntısı ile hesaplanır. Burada; • h : filmin kalınlığı • η : sıvının viskozitesi • U : daldırma hızı • γLV : sıvı – buhar yüzey gerilimi • ρ : solün yoğunluğu • g : yerçekimi ivmesi Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Bağıntı incelendiğinde, taşıyıcının sole daldırılıp çıkarılma süresi film kalınlığını etkilememektedir. Ancak, daldırma hızı U ’nun film kalınlığı h ile doğru orantılı olduğu görülmektedir. • Bunun sonucu olarak taşıyıcı sole ne kadar hızlı (veya yavaş) daldırılıp çıkarılırsa film o kadar kalın (veya ince) olacaktır. Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Bu yöntemin avantajları şunlardır: 1. Her şekilde ve boyutta numune kaplaması yapılabilir (Tüp, boru çubuk gibi farklı geometriye sahip numuneler kolaylıkla kaplanabilir). 2. Düzgün kalınlık elde edilir. 3. Kalınlık kontrol edilebilir. 4. Katkı miktarını minimum düzeyde tutmak bu yöntem ile daha kolaydır. 5. Çözücü veya çözeltinin özelliklerine çok duyarlı değildir. 6. Fazla miktarda numune aynı anda ekonomik bir şekilde kaplanabilir. 7. Kolay bir yöntem olduğundan maliyeti daha ucuz olabilir. Unif

DALDIRMA İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Bu yöntemin olumsuz yönleri ise şunlardır: 1. Özellikle büyük taşıyıcılar için büyük miktarda çözelti gereklidir. Çözelti pahalı ise veya çözelti sabit değilse bu yöntem elverişli değildir. 2. Çapraz katkısından dolayı çok katmanlı sistemler için çok iyi bir yöntem değildir (fakat kullanılabilir). 3. İşlem sırasında taşıyıcının her iki tarafı kaplandığından sadece bir tarafına kaplama yapmak istendiğinde diğer yüze maskeleme yapmak gereklidir. Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA YÖNTEMİ Döndürme ile kaplama tekniği çözelti esaslı bir kaplama yöntemi olup; söz konusu çözeltinin yüzeye santrifüj kuvvetleri ile dağıtılmasını içerir. Döndürme ile kaplama tekniği oldukça yüksek düzgünlüğe ve belirli bir kalınlığa sahip filmlerin elde edilmesinde başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Döndürme ile kaplama tekniği özellikle mikroelektronik endüstrisinde kullanılacak ince filmlerin eldesinde tercih edilen önemli yöntemlerden bir tanesidir. Unif

TARİHÇESİ İlk döndürme ile kaplama çalışmaları 70 yıl öncesine dayanır. İlk döndürme ile kaplama sistemi 1958 Emslie tarafından geliştirilmiştir. Geliştirilmiş olan model günümüzde daha karmaşık mikro elektronik sistemler için başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Unif

TARİHÇESİ 1. Wafer parlatma 2. İlk kütle kaydedilir Unif 2. İlk kütle kaydedilir 4. Son kütle kaydedilir 3. Kaplama Sıvısı & döndürme

ŞEMATİK OLARAK GÖSTERİMİ şiringa silikon wafer Kaplanacak sıvı Kaplama Ayarları Vakum Bağlantısı This is a general schematic of a spin coater. A spin coater has a chuck on which a wafer is held by vacuum. The chuck spins causing the centripetal force which creates the thin film. The excess solution is thrown off the wafer into the basin. A lid is place on top of the spin coater to prevent splashing of solution and as a safety consideration in case the vacuum fails. The lid in the spin coater located in Gleeson has a hole in the center which allows for dynamic addition of the solution to the wafer. Wafer tutma aparatına bir vakum pompası yoluyla tutturulur. Sisteme ait kapak kaplama öncesinde kapatılır.

KAPLAMA İŞLEMİNİN TEMELLERİ Wafer yüzeyi boyunca sıvının homojen bir şekilde dağılması santrifüj kuvvetleri ile sağlanır. Uzun süreli döndürme işlemlerinde akış zamanla azalacak ve nihai film kalınlığının alt sınırını oluşturacaktır..

ENDÜSTRİYEL KULLANIM ALANLARI Mikrodevrelerin üretiminde işlenmiş waferlar için fotoresist kaplamalar. Mikrodevrelere polimerler gibi izolasyon tabakalarının yapılması. Düz ekran görüntü kaplamaları. Anti reflektif kaplamalar ve iletken okksitler DVD ve CD ROM Televizyon tüpü ve Anti reflektif kaplamaları. Unif

HATALI YAPILAR Kaplanmış wafer üzerinde oluşmuş baloncuklar. Bu tür hatalar genellikle sıvının döndürme esnasında altlık üzerine enjekte edilmesi ile oluşur. Hatalı enjeksiyon ucu kullanılmıştır. Girdap benzeri bir hatanın oluşması. Nedenleri: Sıvının tam merkeze enjekte edilmemesi Hız çok yüksek Döndürme süresi çok kısa Buharlaşma hızı çok yüksek Unif

HATALI YAPILAR Waferin üzerindeki dairesel iz. Bağlantı aparatı izi. Bağlantı aparatı izinin oluşması, aparatın değiştirilmesi anlamına gelir. Filmde meydana gelen çekilmelerin nedenleri şu şekilde sıralanabilir: Hızlanma çok yüksek Sıvı merkezin dışına enjekte edilmiştir. Kaplama öncesi yüzeyde partiküllerin bulunması Unif

HATALI YAPILAR Kaplanmamış bölgeler: Kapkana sıvısının az olması halinde gözlemlenir. Pinhol hataları: Hava kabarcıkları Sıvı içerisinde partiküllerin bulunması Altlık yüzeyinde partiküllerin bulunması Unif

HATALI YAPILAR 4 önemli adım: 1. Adım: Altlık üzerine kaplama sıvısının enjeksiyonu. 2. Adım: Waferin hızlandırılması ve nihai hıza ulaşılması. Unif

HATALI YAPILAR 3. Adım: Kaplama waferin dönme hızını ve sıvının vizkosiztesine bağlı olarak incelir. 4. Adım: Solvent buharlaştırılarak filmden uzaklaştırılır ve film kalınlığı dahada azalır. Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Problem: Amaç: Santrifüj kuvvetler altında sıvı filmin kararsız davranışı düşünülmelidir. Amaç: Film kalınlığı ve zamana bağlı olarak bir ilişki elde edilmelidir. Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Kabuller Wafer boyunca sıvının asimetrik akışı İncelen filmin laminar akışı Film kalınlığı zamanla azalır Sıvının açısal hızı diskin açısal hızına eşittir Film incedir ve wafer üzerinde homojen bir şekilde oluşturulmuştur Newtonian ve sıkıştırılamayan sıvı kullanılmıştır Sıvı uçucu değildir Unif

Deneysel Eşitlik: denkleminde: h = film kalınlığı DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Deneysel Eşitlik: denkleminde: h = film kalınlığı mi = kaplanmamış altlığın ağırlığı mf = işlenmiş altlığın ağırlığı ρ = sıvının yoğunluğu A = altlığın yüzey alanı Unif

Teorik film kalınlığı: DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Teorik film kalınlığı: Denklemince: h = film kalınlığı (μm) ho = başlangıç film kalınlığı (μm) K = sabit ρ = sıvının yoğunluğu (g/cm3) ω = dönme hızı(rpm) η = vizkozite (cP) Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Düşük hızda Dönme Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Orta hızda Dönme Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Yüksek hızda Dönme Unif

DÖNDÜRME İLE KAPLAMA Unif