KAPLAMATEKNOLOJİLERİ Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER Sıçratma Teknikleri

KAPLAMA TEKNOLOJİLERİ İnce Fim Biriktirme Yöntemleri Katı Partikül Dispersiyonu Gaz Kimyasal Buhar Biriktirme APCVD LPCVD PECVD MOCVD ALD Fiziksel Buhar Biriktirme Sıçratma Buharlaştırma MBE Sıvı Daldırma ile Kaplama Döndürme ile Kaplama Spray Piroliz

SIÇRATMA TEKNİKLERİNE GENEL BAKİŞ Sıçratmanın Esasları Sıçratma Teknikleri DC sıçratma RF sıçratma Manyetik Sıçratma Yöntemi Reaktif Sıçratma Yöntemi

Sıçratma Prosesinde Vakum

Sıçratma Nedir? Sıçratma enerji yüklü partiküller yoluyla hedef yüzeyinden iyon koparma işlemidir. Buharlaştırmaya alternatiftir. 1852’de keşfedilmiştir. Langmuir tarafından 1920 film kaplama tekniği olarak kullanılmıştır. Metallik filmler: Al-alaşımları, Ti, TiW, TiN, Tantalyum, Nikel, Kobalt, Altın, vs.

Neden Sıçratma? Geniş alanlı hedef malzemeler kullanılarak altlık yüzeyinde düzgün kalınlıkta depozisyon. Derinlik ve zaman parametreleri ile kalınlık tayini. Film yapısını ve kimyasını kontrol edebilme (Negatif Bias voltajı ile) Vakum öncesi yüzey temizleme işlemleri gerçekleştirilebilir.

Sıçratma Adimlari İyon oluşumu sağlanarak hedef malzeme yüzeyine yönlendirilir. İyonlar yüzeyden atomları sıçratır. Koparılan atomlar hedef malzemeye taşınır. Altlık yüzeyinde atomlar yoğuşarak ince filmi oluşturur.

Sıçratmanin temelleri

Sıçratmanin temelleri

Sıçratma prosesinde “sıçratma verimi” (S) ile tanımlanır Sıçratmanin Verimi Sıçratma prosesinde “sıçratma verimi” (S) ile tanımlanır S ifadesi 0,01 ile 4 arasında değişim gösterir ve sıçratılan malzeme kütlesi ve sıçratma gazının enerjisine bağlı olarak değişir.

Sıçratmanin Verimi Sıçratma verimi aynı zamanda (a) iyonlaştırılmış gazların enerjisine; (b) iyon ve hedef atomlarının kütlelerine; (c) katıdaki atomların bağ enerjilerine; (d) iyonların saçılım açısına da bağlıdır.

Sıçratmanin Sistemleri

Temel Sıçratma Teknikleri DC (diyot ve triyot) sıçratma RF (radyo frekansı) sıçratma Manyetik Sıçratma Reaktif Sıçratma

DC Diyot siçratma E (e-) < 2eV – iyonlaşma olmaz; elastik saçılmalar gözlemlenir E (e-) > 2eV – inelastik saçılmalara ek olarak Ar iyonlaşır (Maksimum enerji ~15eV’dir) Not: kütle (e-)/kütle( Ar) ~ 10-5 enerji tranferi düşüktür İyonizasyona bağlı olarak e-’dan kazanılan enerji E>15 eV olana kadar elastiktir.

DC Diyot Siçratma Parametreleri Sıçratma Voltajı Tipik olarak-2 to -5 kV Altlık Bias Voltajı Altlık hedef malzemeden yada plazmadan gelen elektron ve iyonlar tarafından bombardımana tabi tutulabilir. Biriktirme işleme esnasında sıçratmaya bağlı olarak oluşur Nötr atomlar bağımsız olarak birikirler Bunun kontrolü için negatif bias voltajı kullanılabilir Ancak film özellikleri yoğun şekilde değişime uğrar Kaplama oranı Ar basıncına bağlı olarak değişir Sıçratma verimi ile artar Artan voltaj değerlerine bağlı olarak oran artar.

DC Triyot siçratma

RF Siçratma 50 kHz’den daha düşük frekanslarda; Plasmadaki elektronlar ve iyonlar hareketli haldedir. Temel olarak her yüzeyin DC sıçratması şeklinde açıklanabilir. 50 kHz ‘in üzerindeki frekanslarda İyonlar çok daha yüksek hareket kabiliyetine sahiptirler Gazların iyonizasyonu için yeterli oranda elektrona sahiptirler (5~30MHz) Ticari uygulamalar için optimal frekans 13.56 MHz’dir.

RF Manyetik siçratma

• Sıçratma için inert + reaktif gazlaın bir karşımı kullanılır Reaktif Siçratma Metalik hedef malzemesinde iyonizasyon Ar ve reaktif olan diğer bir gazın ilavesi ile gerçekleştirilir. • Sıçratma için inert + reaktif gazlaın bir karşımı kullanılır oksitler – Al2O3, SiO2, Ta2O5 (O2) nitrürler – TaN, TiN, Si3N4 (N2, NH3) karbitler – TiC, WC, SiC (CH4, C2H4, C3H8)

Reaktif Siçratma Hedef ve altlık yüzeyinde kimyasal bir reaksiyon meydana gelebilir. Biriktirme oranı kimyasal reaksiyonlardan hızlıysa hedef malzemede “zehirlenme” adı verilen bozulma meydana gelebilir. Film içerisine aşırı reaktif gazın difüzyonunu engellemek amacıyla reaktif gaz karışımı dikkatlice ayarlanmalıdır.

Manyetik siçratma

Manyetik siçratma

Manyetik Katotlarina Örnekler

Manyetik siçratma avantajlari Bir elementin, alaşımın ya da bileşimin kaplama prosesi kolaylıkla gerçekleştirilebilir. Buharlaştırma kaynakları katı bir yüzeyden yukarı, aşağı yada yan kısımlarda biriktirilecek şekilde kullanılabilir. Bir kısım biriktirme hücrelerinde ise hedef malzemede yapılacak olan bir takım değişikliklerle farklı geometrilerde biriktirme işlemleri de gerçekleştirilebilir. Bir kısım biriktirme hücrelerinde ise buharlaştırma geniş bir alan içerisinde gerçekleştirilebilir. Altlık yüzeyine bağlı olarak hedef malzemelerde farklı geometrilerde kullanılabilirler. Vakum altında buharlaştırma teknikleri ile karşılaştırıldığında hücre içerisinde meydana gelen ısı çok düşüktür. Reaktif biriktirme tekniklerinde ise kullanılarak reaktanlar plazma ile aktive edilebilirler. Proses esnasında yüzey hazırlama işlemleri de bu tür tekniklere kolay bir şekilde eklenebilir.

Manyetik siçratma dezavantajlari Sıçratma enerjisinin birçoğu hedef üzerinde ısıya dönüştüğünden hedefin sürekli olarak soğutulması gereklidir. Termal buharlaştırma tekniği ile karşılaştırıldığında buharlaşma oranları sıçratma tekniklerinde oldukça düşüktür. Sıçratma teknikleri kullanıldıkları enerji göz önüne alındığında enerji etkin bir yöntem oldukları söylenemez. Kullanılan hedef malzemelerin safiyetinin yüksek olmasından dolayı oldukça pahalıdırlar. Elektriksel iletken olmayan hedefler taşıma esnasında yada düzgün bir ısıtma yapılmaması durumunda kolaylıkla kırılabilirler. Hedef malzemelerin biriktirilmesinde kapasite oldukça düşüktür. Bazı sıçratma cihazlarında altlığın elektron bombardımana yüksek oranda maruz kalmasından dolayı altlıkta yüksek ısınma oranları ortaya çıkabilmektedir. Hücre içerisindeki kirlikler ısı ve iyonlarla kolaylıkla etkileşime geçerek altık malzeme yüzeyine birikebilirler.

Uygulama alanlari İnce film depozisyon: Hedeflerin Dağlanması: Mikroelektronikler Dekoratif Kaplamalar Koruyucu Kaplamalar Hedeflerin Dağlanması: Mikroelektronik Paternler Mikroanalizler için derin bölgelerin oluşturulması Yüzey işlemleri: Sertleştirme Korozyon İşlemleri