Yuzey islemleri

Yüzey Analizi Dersi

Yüzey İşlemleri
Prof.Dr. İbrahim USLU


Yüzey Kaplama – İnce Film


Gaz Fazdan – CVD


Kimyasal buhar biriktirme (CVD)
• Kapalı bir kap içerisinde ısıtılmış malzeme (taban madde) yüzeyinin,
taşıyıcı bir gazın kimyasal reaksiyonu sonucu oluşan katı bir tabaka
ile yüzey kaplanması ‘kimyasal buhar biriktirme (CVD)’ yöntemi
olarak tanımlanır.


Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi
(Chemical Vapor Deposition):
• Biriktirilmesi istenen malzeme alttaş üzerine kimyasal buhar
olarak biriktirilir.
• Bu buhar alttaş üzerinde kimyasal olarak parçalanarak film
tabakası oluşturulur.
• Reaksiyon sonucu çıkan, istenmeyen ürünler buhar olarak
sistemden uzaklaştırılır. Kimyasal olarak parçalanma enerjisi
termal, optik ve elektriksel yollardan birisi kullanılarak verilen bu
yöntem ile avantajları, düzlemsel olmayan yüzeyleri kaplama ve
pin boşluğu yapmama olan fiziksel buhar biriktirme yöntemi
karşılaştırılınca ortaya çıkan fark, kimyasal buhar biriktirme
yönteminin enerji temin yolları olmaktadır.
• Bu yöntem geni hacim uygulamaları için kullanılır. Kaplama için
silikon, silikon di oksit, ve nitritler kullanılabilir.

CVD Yöntemi

• Yöntem, temelde ‘buhar fazından’ ve basıncı istenilen değerlere
ayarlanmış bir ortamda ‘kimyasal (reaksiyonlarla) olaylarla katı
yüzey kaplama malzemesi üretilmesine dayanmaktadır.


Dr. İbrahim USLU’nun tez çalışması


Nükleer yakıt ve Quartz camların kaplanması


Tüp Fırın ve Gaz Girişleri


CVD Tüp Fırın


Alçak Basınç Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi
(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)
• Bu yöntemde kimyasal bozunma için gerekli enerji ısıdan
elde edilmektedir.
• Alçak basınçtan dolayı alttaş biriktirme yöntemini bozmadan
dik olarak hedef malzemeye çok yakın pozisyonda tutulabilir.
• Bu yöntem geniş hacim uygulamaları için kullanılmaktadır.
• Yüksek sıcaklıklarda çalışmak mümkündür.


Plazma geliştirmeli Kimyasal Buhar Biriktirme
Yöntemi (Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition)
• Bu yöntemle ince filmlerin geniş ve hantal yüzeylere, örneğin
motor bloğu üzerine, kaplanması mümkündür.
• Bu yöntemle tabakalar 100 Pa’dan 1000 Pa’a kadar plazma
geliştirme yöntemine benzer sıcaklıklarda tipik olarak
yapılabilir.

• Burada işlemler elektromanyetik enerji ile, çoğunlıkla birkaç
100 kHz (düşük frekans), 13.6 MHz (radyo frekansı) ve 2.56
GHz (mikrodalga); 1 Pa’dan 100 Pa’a kadar basınç
aralığında ve düşük alttaş sıcaklıklarında (oda sıcaklığından
450 dereceye kadar) yapılmaktadır.


Fiziksel buhar biriktirme
• 1800lü yıllardan beri bilinmekte, ancak
son 50 senedir kendisine endüstride bir
yer bulabilmiş, ince film kaplama
tekniğidir.
• Günümüze kadar geliştirilen farklı
kaplama işlemleri ile uygulanan bu
tekniğin mekanizması basitçe şöyledir.
• Vakumlu ortamda, bir ısıtıcı(rezistans,
lazer, elektron bombardımanı vb.) ile
buharlaştırılan kaplayıcı malzeme,
kaplanacak olan malzeme üzerinde ince
bir film katmanı halinde biriktirilir.


Buharlaştırma

• Buharlaştırma yöntemiyle yapılan FBB kaplamalar için gerekli
olan buhar fazı, rezistansla, indüksiyonla, elektron
bombardımanıyla ve katodik ark buharlaştırma gibi yöntemlerle
elde edilir.


PVD ve PECVD prosesleri ayni cihazda
olabilmektedir.
• Sistemde argon gazının yanı sıra oksijen, asetilen gibi reaktif gazlar
kullanılabilmektedir. Hedef malzemenin arkasındaki bir mıknatıs
vasıtasıyla sistem içinde iyonizasyon arttırılmaktadır.
• Hedef malzeme önünde mevcut olan kalkan sistemin hem PVD hem
PECVD modlarında çalışmasını sağlamakta ve bu sayede çok geniş
bir malzeme skalasında kaplama yapmak mümkün olmaktadır.


Fiziksel buhar biriktirme (PVD)

• FBB tekniği, vakum altında bulunan malzemelerin
buharlaştırılarak veya sıçratılarak atomların yüzeyden
kopartılması ve kaplanacak olan alt malzeme yüzeyine atomsal
veya iyonik olarak biriktirilmesi esasına dayanır



• Fiziksel Buhar Biriktirme (FBB)
yöntemleriyle üretilen sert
seramik ince film kaplamaların
kullanımı, aşınmaya maruz
kalan ortamlarda kullanılan
malzemelerin dayanıklılığını
arttırmak için etkili bir yöntemdir.
• Uygun kaplama yöntemlerinin
ve kaplama malzemelerinin
seçilmesiyle, taban malzemenin
kullanım ömrü ve de ürünün
ticari değeri arttırılabilir



• FBB Kaplamalar mükemmel yapısma özelligine sahiptirler.
• Biriktirme hız aralığı oldukça geniştir, yüksek hızda üretim
yapılabilir.
• Kaplama sonrası yüzey pürüzlülüğü, taban malzemenin yüzey
pürüzlülüğüyle yaklaşık aynı olduğu için, kaplama sonrası
zımparalama ve parlatma gibi yüzey işlemlerine ihtiyaç
duyulmaz.
• FBB proseslerinin hiçbirinde, çevre problemlerine yol açan
zehirli atıklar oluşmaz.


FBB proseslerinin uygulama alanları

• Dekoratif amaçlı uygulamalar: Oyuncaklar, takılar, gözlük
çerçeveleri, saatler vb.
• Optik uygulamalar: Lazer optikler, aynalar, projektör
yansıtıcıları, kameraların optik elemanları vb.


FBB proseslerinin uygulama alanları

• Elektrik uygulamaları: Yarı iletken parçalar, entegre devreler,
kapasitörler, rezistörler, süper iletkenler, günes pilleri vb.
• Tribolojik uygulamalar: Yaglayıcı filmler, kesici takımlara
yapılan sert kaplamalar vb.
• Kimyasal uygulamalar: Korozyona dirençli malzemeler, gaz
türbin motorları, denizcilik uygulamaları.



• FBB teknolojisiyle teorik olarak tüm metal, alasım, seramik ve
polimer kaplamaları elde etmek mümkündür. Yani hemen
hemen her kaplama, her taban malzeme üzerine biriktirilebilir.
• FBB teknolojisiyle kaplamaların yanısıra; saç, folyo, boru gibi
çesitli geometriye sahip parçalar üzerinde biriktirilebilir.


Fiziksel buhar biriktirme
• PVD yüzey kaplama tekniğinde; kaplanacak malzeme yüksek
vakumlu bir kabine yerleştirilir ve yüksek enerji ile iyonlaştırılmış
ve reaktif gazlarla oluşturulmuş plazma ile kaplanır.
• Kaplamanın homojen olabilmesi için kaplanacak malzemeye
maksimum hareket kazandırılır.
• Yarıiletken endüstrisinin gelişimi ile kendine endüstride yer
bulabilen PVD tekniği, günümüzde pek çok farklı alanda
kullanılmaktadır.
• Mikroelektronik, tıp, dekoratif amaçlı, korozyona karşı direnç
gerektiren uygulamalar vb. alanlarında kullanılmaktadır.
• Gittikçe büyüyen pazar payları PVD kaplamanın
yaygınlaştığının bir göstergesidir.


PVD - CVD
• PVD teknolojisinin CVD’ye göre en büyük avantajı sertmetal ve
yüksek jız çeliklerinin özelliklerini etkilemeden düşük
sıcaklıklarda kaplama yapılabilmesidir.
• PVD teknolojisin kaplama, 200-500 C aralığında gerçekleştirilir.
• CVD’de gerekli olan yüksek kaplama sıcaklıkları(850-1000 C),
normalde çeliklerin temperlenme sıcaklıklarını aşmaktadır, bu
nedenle takım çeliklerinde CVD kullanmak imkânsızdır.
• PVD ile sert metal takım ve belirli kaplama uygulamalarında
sıfırdan başlayarak büyümekte olan bir pazar kazanmıştır ve
belirli uygulamalarda CVD ile rekabet halindedir.


PVD uygulamalarında en geniş olarak
kullanılan kaplama TiN katmanlardır
• Takım uygulamaları için
– yeterli sertlikleri,
– çatlak yayılmasına karşı etkili olan basma-kalıntı
gerilmeleri,
– kaplama-altlık arasında yapışma özellikleri,
– kesme işlemi esnasında sağladıkları uygun arayüzey
geometrileri ve
– çok ilginç olarak altına benzeyen renkleri,
• bu kaplamaların her zaman tercih edilmesini sağlamıştır.
• Bu nedenle takım endüstrisindeki kaplama araştırmalarında TiN
kaplamalara alternatif arayışlar devam etmektedir.


TiN Yüzey kaplama
• En eski ve en bilinen kaplama
çeşididir. Demir, çelik vb.
metaller, metal işleme, kesme
kalıpları, aşınmaya maruz
parçalar, tıbbi ve dekoratif
parçalar için genel amaçlı bir
kaplamadır.


TiN Yüzey kaplama
• Yüksek sertliğe ve düşük sürtünme katsayısına sahip olan TiN,
metalin metale sürtünmesinden dolayı oluşan aşınmaları
önler, kayganlığı arttırır, yapışma-sarma gibi
problemleri minimuma indirger.
• Kesme anında uç birikintilerin büyümesini engelleyerek iş
parçası yüzeyinin temiz çıkmasını sağlar. Ayrıca ısıl
iletkenliğinin düşük olması nedeniyle takıma ısı transferini
engelleyerek takım ve tezgahla daha yüksek devirlerde çalışma
olanağı sağlar.


TiN Yüzey kaplama
• Sürtünme katsayısı düşük olduğu için kesme ve sürtünme
kuvveti azalır, kaygan yüzey de talaş akışını kolaylaştırır.


Fiziksel buhar biriktirme (FBB ya da
PVD)
• Katı haldeki ham maddenin yüksek enerji ile plazma haline
getirilerek, kontrollü olarak, kaplanacak malzemenin üzerine
yapıştırılması işlemi olarak özetlenebilir.
• Yüzeylerin PVD ince film kaplama teknikleri:

• Termal Buharlaştırma-Biriktirme
• Elektron Demeti (EBPVD)
• Katodik ark Biriktirme
• Sıçratma (Sputtering) Sistemi
• İyon kaplama,
• Lazer Biriktirme


PVD)

• Bilimsel anlamda ilk olarak 19. yüzyıl sonlarında çalışmalara
başlanmış, ancak son 50 senedir kendisine endüstride bir yer
bulabilmiş, ince film yüzey kaplama tekniğidir.
• 10-5 – 10-6 ton basınçlı vakum ortamında yapılır.
• Bir ısıtıcı(rezistans, lazer, elektron bombardımanı vb.) ile
buharlaştırılan kaplayıcı malzeme, kaplanacak olan malzeme
üzerinde ince bir film katmanı halinde biriktirilir.


Termal buharlaşma Biriktirme Tekniğinin
avantajları
• Termal buhar kaplama işlemi, buharlaşan atomların kinetik
enerjileri düşük olduğu için, kaplamaların ana malzemeye
yapışma yetenekleri düşüktür.
• Bunun yanında, sistemin oldukça basit olması ve buhar
veriminin yüksek, kaplama malzemesi seçiminde geniş
olanaklar sunması, termal buharlaşma tekniğinin
avantajlarıdır.


Termal buharlaşma tekniğinin
dezavantajları
• Buharlaşmanın ısı rezistansı ile sağlandığı durumda, etrafına
rezistans teli sarılmış, yüksek sıcaklığa dayanıklı pota içerisinde
malzemeler ısıtılmaktadır.
• Buharlaştırma, indüksiyon akımı ile yapıldığında ise su
soğutmalı bakır tel sarılmış, sıcaklığa dayanıklı potalara akım
uygulanarak buharlaştırma sağlanır.
• Bu yöntem diğer tekniklere göre daha ucuzdur ancak bazı
dezavantajları vardır.
• Geometrik faktörler sebebiyle büyük çaplı üretimler çok zor
veya mümkün değildir.
• Düşük ergime sıcaklığına sahip malzemeler için kullanılabilir.
• Bazı durumlarda, potada sıcaklıktan etkilenerek buharlaşır ve
kaplama bozulabilir.

PVD)
• PVD kaplama teknikleri arasında en basit olanıdır.
• Kaplanacak malzeme, herhangi bir şekilde ısı etkisi ile
buharlaştırılır ve buharlaşan atomlar, substrat (kaplanan
malzeme, alltaş) üzerinde giderek yoğuşurlar.
• İşlem 10-5 – 10-6 ton basınçlı vakum ortamında yapılır.
• Böylece buharlaştırılan atomlar bir hat boyunca çarpışmasız
olarak taşınır ve taban malzeme üzerinde yoğunlaşır.
•


Termal buharlaştırma işleminde
kullanılan buharlaştırma kaynakları


Rezistansla Buharlaştırma
• Rezistansla buharlastırma sisteminde, buhar fazının elde
edilecegi kaplama malzemesi, yüksek sıcaklıklara dayanıklı
refrakter potalar içine yerleştirilir.
• Sistemde ısıtma, pota etrafına sarılmıs 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 düsük ergime sıcaklıgına sahip
malzemelerin buharlaştırılmasında kullanılmaktadır


Elektron Demeti ile (EBPVD) Buharlaştırma
• Elektron demeti, hedefteki atomların yüzeyden koparak gaz
fazına geçmesini sağlar.
• Buharlaştırılan bu atomlar, vakum çemberi içindeki her
noktaya yapışarak ince bir film oluşmasını sağlarlar.
• Film kalınlığı 0.1µm ile 100µm arasında değişebilmektedir.


Elektron Demeti (EBPVD)
• Elektron demeti PVD işlemi ise yine de yüksek sayılabilecek
bir katmanlama yüzdesine sahiptir.
• Film kalınlığı 0.1µm ile 100µm arasında değişebilmektedir.
• EBPVD sisteminde, vakum çemberinde basınç 10-4 Torr’a
kadar düşürülür.
• Buharlaştırılacak malzeme ingotlar halinde yerleştirilir.
Genellikle 6 elektron tabancası, 100lerde KW enerji ile
çalıştırılırlar.
• Elektron demetleri, termiyonik emisyon, alan emisyonu veya
anodik ark metotları ile üretilebilir.


Elektron Demeti (EBPVD)
• Üretilen elektronlar yüksek kinetik enerjilere çıkarılıp, ingot
üzerine odaklandırılırlar.
• Kinetik enerjinin %85i ısı enerjisine dönüşür. İngot üzerinde
artan sıcaklık ile sıvı hale gelen hedef malzeme, vakum
sayesinde buharlaşmaya başlar.


Elektron Bombardımanıyla Buharlaştırma

• Bir elektron kaynağı aracılığıyla saglanan 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 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 Bombardımanıyla Buharlaştırma
• Elektron tabancası yönteminde, bir
flaman tel üzerinden akım
geçirilerek telin ısınması ve
elektron yayması saglanır.
• Elde edilen elektronlar bir
manyetik alan yardımıyla
hızlandırılarak yönlendirilirler.
Elektronları hızlandırmak için 6-10
kV civarında bir potansiyel
kullanılır.
• İnert gazların kullanımıyla
oluşturulan plazma yardımıyla
elektron üretimi gerçekleştirilir.


İndüksiyonla Buharlaştırma
• Elektron ışınımıyla buharlaştırmada olduğu gibi indüksiyonla
ısıtmada da, oluşan ısı potaya degil; direkt olarak
buharlaştırılacak malzemeye yönelir.
• Bu yöntem özellikle Ti, Al gibi malzemelerin buharlaştırılması
için uygundur.


Katodik Ark Buharlastırma
• Katodik ark buharlaştırma tekniği genel olarak TiN gibi sert ve
aşınmaya dirençli kaplamaların üretiminde başarıyla
uygulanmaktadır.


Katodik ark buharlastırma prosesinin
avantajları
• Bu proses
– Metalik partiküllerin yaklasık %100 seviyesinde iyonizasyonu,
– yayılan iyonların yüksek kinetik enerjiye (40-100 eV) sahip olması ve
– yüksek buharlastırma verimi gibi
önemli avantajlara sahiptir.

Cathodic arc deposited thin film coatings based on TiAl intermetallics


Katodik ark buharlaştırma prosesinin
dezavantajları

• Yöntemin en önemli dezavantajı, film yapısında
makropartiküllerin olusmasıdır.
• Makropartiküllerin olusma sebebi, katot üzerinde arkın olustugu
noktalarda aşırı ısınmanın meydana gelmesi sonucu "droplet"
adı verilen büyük sıvı kütlelerin de iyonlarla beraber taban
malzeme yüzeyine taşınmasıdır.


Lazer Biriktirme (PLD)
• Lazer biriktirme işlemi, vakum çemberi içerisindeki hedefe
yüksek güçte lazer tutulması ile gerçekleştirilir.
• Lazer tutulması, hedefteki malzemenin buharlaşarak, altlık
üzerine kaplama yapılabilmesini sağlar.
• Bu işlem çok yüksek basınçlı vakum ortamlarında veya bir alt
gazın bulunduğu ortamda yapılabilir.
• Örneğin, oksijen, oksit kaplama işlemlerinde kullanılır.


PLD işlemi 4 evrede gerçekleşir
• PLD işlemi 4 evrede gerçekleşir;
– Lazer ile hedef malzemeyi buharlaştırarak, plazmayı oluşturmak
– Plazmanın yüksek enerji ile yüklenmesi
– Kaplanacak yüzeye biriktirmenin başlaması
– Filmin substrat üzerinde büyümesi


Filmin substrat üzerinde büyümesi evresi
• Dördüncü ve son evrede, filmin büyümesi incelenmiştir.
– Filmin kristalize büyümesi çeşitli faktörlere bağlıdır.
– Bunlar,
– yoğunluk,
– enerji,
– buharlaştırılan malzemenin iyonizasyon derecesi ve
– sıcaklığa
• bağlıdır.


PLD kaplamade en düzgün kaplama
elde edilir
• PLD kaplamada, plazma boyutu, sputterlama veya elektron
demeti yönteminden daha küçük ve yoğundur.
• Bu yüksek yoğunluklu plazma bölgesi, filmin düzgünlüğünü
arttırır.
• PLD kaplama bu yüzden en düzgün filmlerin elde edilebildiği
kaplama türüdür.


İyon Demeti Biriktirme Yöntemi (Ion Beam
Assisted Deposition):
• Buharlaştırma, kopartma, ve iyon demeti yardımı ile biriktirme
yöntemlerinin birleşmiş bir şeklidir.
• Eritme potası termal olarak ısıtılıp, metal buharı vakum
ortamına yayılır.
• Bu gruplar bir plazma bölgesinde iyonlaştırılıp belli enerji ve
gerilime gönderilerek istenen tabakanın oluşumu sağlanır.


İyon Demeti Biriktirme Yöntemi


İyon Demetiyle Biriktirme Yöntemi

• Hedefi veya alttaşı ya da her ikisini birden bombardıman
enerjisi, kinetik enerjisi, iyi bilinen bir iyon demetiyle döverek iyi
bir biriktirme işlemi yapılabilir.
• Plazma yoğunluğu ve enerji bağımsız olarak seçilebilir ve
yüksek vakum şartlarından dolayı biriktirilen malzeme kopartma
yöntemine göre daha temiz elde edilebilmektedir.
• Bu yöntem karmaşıklığı ve geniş alan plazma kaynaklarının
kısa anlar için elde edilmesinden dolayı sensör teknolojisinde
henüz yerini alamamıştır.


Sıçratma tekniği
• Bir hedef malzemenin yüzey atomlarının iyonize olmuş gaz
atomları (genelikle nötr bir gaz) tarafından kopartılarak,
fırlatılması ve bu fırlatılan atomların, ince bir tabaka ile
kaplanması istenen taban malzeme üzerine transferi olayıdır.
• Sıçratma işleminde iyon kaynagı olarak iyon tabancası veya
plazma kullanılmaktadır.


Sıçratma Tekniğinin avantajları
• Sıçratma yönteminin en önemli avantajı; farklı buhar
basınçlarına, dolayısıyla farklı buharlaşma hızlarına sahip
• alaşımların, bileşimleri değişmeksizin başarıyla
biriktirilebilmesidir.
• Yöntemin diğer bir avantajı, film yapısına makropartiküllerin
girme olasılığının düşük olmasıdır.


Sıçratma tekniği ve Argon Gazı
• Sıçratma işleminde diğer malzemeler ile reaksiyona girmeyecek
inert gaz örneğin argon iyonları (Ar+) kullanmak gerekmektedir.
• İyon kaynağı olarak iyon tabancası yada plazma kullanılabilir.
• Elde edilen iyonlar yüksek hızlarda hedef olarak adlandırılan
buharı elde edilecek malzeme yüzeyine çarptırılarak ya
malzeme latisi içine girip kalabilir, ya enerjilerini bırakarak geri
saçınabilir yada yüzeyden bir atom koparma durumları ortaya
çıkabilir.


Sıçratma teknikleri üçe ayrılır
• Bunlar diyot, triyot ve manyetik sıçratma prosesleridir.
• Manyetik sıçratma, son yıllarda geliştirilmiş bir yöntemdir
• Bu yöntemle hem biriktirme hızında artış sağlanmış, hem de
metre karelerce büyüklükteki taban malzeme yüzeylerine
homojen biriktirme yapılması mümkün hale gelmiştir.
• Ayrıca manyetik ve triyot sıçratma yöntemleriyle, taban
malzeme içermeyen, sadece kaplama malzemesinden oluşan
şekiller üretmek de mümkündür.
• Ancak sıçratmanın proses maliyeti, buharlaştırma yöntemine
göre 3-10 kat daha yüksektir.


Dengesiz manyetik alan yöntemi
• Windows ve Sawdes, 1986 yılında konvansiyonel manyetik
alan sistemlerindeki mıknatısların manyetik alan
konfigurasyonunu değiştirerek, dengesiz manyetik alanlar
yöntemini geliştirmişlerdir.
• Dengesiz manyetik alan yönteminde, manyetik alanın dış
mıknatısları, merkezdeki mıknatısa göre daha kuvvetli
seçerek, plazmanın manyetik alan çizgilerini takip etmesi ve
alt metale kadar yayılması sağlanabilir.


Atomik katman kaplama

• Mikroelektronik
endüstrisinin
tetiklemesiyle ALD
araştırmaları son yıllarda
yaygınlaşmış ve önemli
bir düşük sıcaklıkta
malzeme büyütme
teknolojisini haline
gelmiştir.


(atomic layer deposition – ALD) tekniği
• Kaplanan malzemenin kendini sınırlayıcı bir şekilde yüzey
reaksiyonlarıyla büyüdüğü ve kaynak gazların ayrışık periyodik
döngüler ile gaz fazında reaksiyonun engellendiği, düşük
sıcaklıkta kimyasal buhar kaplama tekniği olarak tanımlanabilir.


• ALD prosesinde asla gaz fazında
gerçekleşen reaksiyon olmaz.
• Bütün reaksiyonların yüzeyde
gerçekleşmesini sağlamak için sıralı
proses uygulanır.
• Bütün yüzeyler bir atomik katman
kaplandıktan sonra reaksiyonlar durur.



• 2000’li yılların başında
ticarileştirilmiş ve günümüzde
endüstriyel seri üretimi yapılan
mikro-işlemcilerde tranzistörlerin
kapı-yalıtkanı malzemesinin
(HfO2) kaplanmasında
kullanılmaktadır.
• Sunduğu bazı önemli avantajlar
nedeniyle (tek-katman altı
kalınlık kontrolü, her açıdaki
yüzeye eşit kaplanması) tercih
edilmektedir.


Yüksek Vakumda Biriktirme Yöntemi
(High Vacuum Deposition Process):

• Bu yöntemde biriktirilecek malzeme, direnç veya elektron
tabancası kullanılarak yapılır.
• Deposition enerjisi yaklaşık olarak buharlaşma enerjisine eşittir.
• Bu yöntem basit ve ekonomiktir.
• Yeni algıç (sensor) malzemelerinin üretimi için gerekli olan
reaktif işlemler ve karmaşık malzemelerin buharlaştırılması çok
kritik ve zor olması bu yöntemin dezavantajlarıdır.


RF Manyetik Alanda Sıçratma İnce Film
Kaplama Sistemi
• Temel olarak bir hedef malzemenin yüzey atomlarının
iyonize olmuş gaz atomları (genellikle nötr bir gaz) tarafından
kaldırılarak, fırlatılması ve bu fırlatılan atomların, ince bir
tabaka ile kaplanması istenen taban malzeme üzerine
transferi olayıdır.
• Kaplama işleminde uygulanan akımın RF olması, bu
teknikte, katot yüzeyindeki yükün 13.56 MHz frekansla işaret
(+,-) değiştirmesini sağlayarak yalıtkan malzemelerdeki şarj
problemini önlemiş olur.
• DC magnetron sputtering tekniğine göre daha düşük
kaplama hızlarına sahip olmasına rağmen yalıtkan katotların
da sputter edilebilmesi avantajı RF magnetron sıçratma
tekniğini ince film kaplama teknikleri arasında önemli bir yere
koymuştur.

Döndürme Kaplama Tekniği (Spin Coating)
• Tipik olarak kaplama işlemi üç adımdan oluşur.
• Hazırlanan altlık üzerine çözelti damlatılması ile başlayan işlem
yüksek hızlı döndürme ile fazla çözücünün uzaklaşması ve
çözeltinin yayılması ve sonra kurutma ile çözeltinin
buharlaştırma ile jelleştirme ile kaplama işlemi tamamlanır.
• 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.


Laminer Kaplama Yöntemi (Laminar Coating)
• Spin ve spray kaplama tekniklerinde kaplanan miktardan daha
fazla kaplama malzemesi kullanılmaktadır.
• Daldırma ve akış (flow) kaplama teknikleri genellikle kaplama
malzemesinin raf ömrüne bağlı olup, optik uygulamalarda
daldırma kaplama tekniğinde kaplama sıvısının sadece % 10-
20 kısmı kaplama üretimi için kullanılabilmektedir.
• Tüm bu problemlerin çözülebilmesi için kılcal (kapilar veya
laminer) akış prosesi Floch ve CONVAC Co.tarafından
geliştirilmiştir


Laminer Kaplama Yöntemi (Laminar
Coating)
• Boru şeklindeki dağıtım ünitesi altlığın yüzeyinin altında fiziksel
temas olmada hareket ettirilir.
• Gözenekli silindir merdane ve altlık yüzeyi arasında bulunan
çözelti kendi kendine meydana gelen bir menisküs yaratılır ve
kılcal yığma koşulları gerçekleştirildiğinde yüksek derecede tek
düze bir kaplama oluşturulur.
• Bu tür kaplamalarda çok katmanlı kaplama uygulamaları
yapmak da mümkündür.


Döndürme Kaplama Tekniği (Spin Coating)
• Döndürme Kaplama ince filmlerin üretiminde uzun yıllardır
kullanılmaktadır.
• Tipik olarak proses bir çözelti damlasının bir altlığın merkezine
damlatılması ve sonra altlığın yüksek dönme hızlarında (tipik
olarak 3000 dev/dak) döndürülmesi esasına dayanır.


Döndürme Kaplama Tekniği
• Nihai film kalınlığı ve
diğer özellikler çözelti
özellikleri (viskozitesine,
kuruma hızına, katı
oranına ve yüzey
gerilimleri) ile işlem
şartlarına (devir,
hızlandırma ) bağlıdır.


Döndürme Kaplama Tekniği
• Merkezi hızlandırma fazla çözeltinin uzaklaştırılmasına ve
kalan çözeltinin ise altlık yüzeyine ince film şeklinde
yayılmasına neden olur.


Püskürtme Kaplama Tekniği (Spray Coating)

• Bu yöntemde çözeltinin basınçlı şekilde nozülden
püskürtülmesiyle atomizasyona benzer şekilde ince damlacıklar
üretilir.
• Üretilen damlacıklar bir altlık yüzeyine püskürtülmek suretiyle
kaplama yapılır. Altlık yüzeyi sıcak yada soğuk olabilir.


Püskürtme Kaplama Tekniği
• Altlık yüzeyine ulaşan sıvı damlacıkların yüksek reaktiviteleri
nedeniyle sürekli bir film oluşur.
• Oluşan film çözücü buharlaşması ile kurumaya başlar ve son
olarak ısıl parçalanma ile kaplama elde edilir.


Püskürtme Kaplama Tekniği (Spray Coating)

• Bu tür kaplama işleminde altlık yüzeyine sıvı damlacıklar
olarak değil de nanometre boyutlarındaki kuru küçük
tanecikler şeklinde kaplama gerçekleşir.
• Püskürtme Kaplama tekniği yüksek üretim hızı, karmaşık
şekil kaplama kolaylığı, düşük maliyet , ucuz ekipman
maliyeti ve sürekli proses olması gibi avantajlarının yanında
kalınlığın her zaman homojen olamaması ve tekrarlanabilir
kalınlık problemleri nedeniyle kısıtlamalara da sahiptir


Slot die Kaplama


Gravüre Kaplama


SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and
Reaction) yöntemi ile ince film Büyütme

• SILAR yöntemi yarı iletken film büyütme metotları içerisinde
Buharlaştırma ve diğer yöntemlere kıyasla daha ucuz, daha
basit ve az zaman harcanması gibi özelliklerinden dolayı son
yıllarda oldukça tercih edilmektedir.
• SILAR, altlık malzeme ile çözelti arasında ardışık
reaksiyonları içeren sulu çözelti tekniği olup altlık olarak
kullanılan malzemenin bileşik yarıiletkenin her bir türünün
iyonlarını içeren sulu çözeltiler içerisine belli bir sıra ile
daldırılmasıdır.


SILAR Yöntemi
• Bu teknikte büyütme işlemi genellikle oda sıcaklığında ve
kullanılan çözeltilerin bulunduğu ortam basıncı altında
gerçekleştirilir. İnce film büyütülmesinde fazla zaman
gerektirmemesi, ucuz olması, büyüme esnasında kalınlık,
çözelti pH’sı ve sıcaklığının kontrol edilebilirliği nedeniyle
SILAR tercih edilir.


SILAR Yöntemi
• SILAR metodunda kontrol edilebilen parametrelerin en
önemlilerinden biri de SILAR döngü sayısıdır ve döngü sayısı
da film kalınlığının kontrol edilmesinde etkin rol oynar.
• Döngü sayısı arttıkça film kalınlığı artar ve daha kararlı bir
yapı elde edilir.
• Ancak SILAR döngü sayısının çok fazla olması da uygun
değildir.
• Çünkü film kalınlığı belli bir değerin üzerine ulaşınca bu defa
iyonlar artık tortu şeklinde yüzeyde birikmeye başlayacak
bunun sonucunda kopmalar daha kolaylaşacak ve filmin
kalitesi düşecektir.


SILAR Yöntemi
• Labaratuar ortamında SILAR tekniği ile saf (CuO, CdO…) ve
katkılı (CuO/Mn, CdO/Ba…) ince filmler üretmekte katkılama
oranının yarıiletken filmin yasak enerji aralığını nasıl
değiştirdiğini incelenebilir.
• Mustafa Kemal Üniversitesi Yarıiletken Araştırma
Grubu’nda bu tür araştırmalar yapılmaktadır.


Yüzey sertliğini artırma işlemleri
• Yuzey sertliği, asınma direnci ve yorulma dayanımını
artırmak amacıyla kullanılan yüzey işlemleri,
– mikroyapısal,
– kimyasal difuzyon ve
– iyon implantasyon
• olmak üzere üç grupta incelenebilir.
• İlk iki işlem çoğunlukla demir esaslı malzemelere uygulanır.


Yüzey sertliğini artırma işlemleri


Mikroyapısal
• Mikroyapısal yüzey işlemlerinde malzeme yüzeyinin
mikroyapısı değisirken, malzemenin ic kısımlarında herhangi
bir değisim olmamaktadır.


Kimyasal difüzyonda (yayınım)
• Kimyasal difüzyon (yayınım) ise hem yüzeyin mikroyapısı
hem de kompozisyonu değişmektedir.


Karbürleme
• Karbürleme, karbonca zenginleştirilmiş bir ortam yaratarak
partikül yüzeylerine karbon atomları difüze edilerek yapılan
bir işlemdir.
• Tabaka derinliği, üst sıcaklığa, zamana ve karbon
potansiyeline bağlıdır.
• Karbon miktarına bağlı olarak, karbon atomları yüzey
yapısına ve daha içlere doğru girer.
• Sıcaklık ne kadar yükselirse bu difüzyon olayı da o kadar
çabuk oluşur.


Karbürleme metotları
• gaz ile karbürleme,
• vakumla karbürleme,
• plazma (iyon) karbürleme,
• tuz banyosunda karbürleme,
• kutu (pack) karbürleme,
• akışkan yatakta karbürleme.


Nitrürasyon (Nitrürleme)
• Nitrürleme, çoğunlukla düşük karbonlu ve nitrür oluşturma
özelliğine sahip alaşım elementleri içeren çeliklere uygulanır.
• Nitrürleme işleminde, atom halindeki azotun çeliğe
yayınmasıyla meydana gelen çok ince ve dağınık haldeki krom,
alüminyum veya molibden nitrürler parça yüzeyinde çok kuvvetli
sert bir tabakanın oluşmasını sağlarlar.
• Bunlar yüksek sıcaklıkta difüzyon yolu ile azotun çeliğe girmesi
ile oluşur.


Karbonitrürleme
• Karbonitrürleme, zenginleştirilmiş bir ortamda partikül
yüzeylerine karbon ve azot atomları difüze ederek yapılan bir
işlemdir.
• Bu işlem, karbürizasyon ve nitrürasyon işlemlerini
birleştirilmesi (karışımı) şeklinde olup, azotun karbonla
birlikte çelik yüzeyine difüzyonu için karbürleme gazına NH3
ilavesiyle yapılabilir.
• Amonyak kutunun sertliğini artırmak için kullanılır.
• Karbonitrürleme genellikle karbürlemeden daha kısa bir
sürede ve düşük sıcaklıkta yapılır.


Borlama
• Borlamada borür ve borkarbürlerin oluşumu ile sert tabakalar
oluşur.
• Borlama için, bugüne kadar pratikte sıvı ve katı borlama
maddeleri kullanılmıştır.
• Sıvı borlama maddesi olarak ergimiş borax yada ilaveler içeren
diğer tuzlar kullanılmaktadır.


Kromlama
• Bu usul aşınan yatakların tamirinde, kumpasların, pres ve
püskürtme kalıplarının , segmanların aşınmaya karşı
korunmasında kullanılır.
•


• İyon implantasyon tekniği ise ana malzeme ile alaşım
oluşturan iyonik parcaların implantasyonu ile malzemenin üst
yüzeyini (0,1 μm uzerinde) değiştiren implantasyon islemini
içerir.


Plazma
• Gaz durumundaki maddeye de belirli bir enerji vererek
plazma haline geçirmek mümkündür.
• Plazma, içerisinde iyon, elektron, uyarılmış atom, foton ve
nötral atom veya molekül iceren bir karışımdır.
• Pratikte plazma, ısı enerjisi verilerek, ısınla veya elektriksel
bosalma ile elde edilir.


Plazma ile Yüzey İşlemleri
• Yüzey işlemlerinde plazma ortamının kullanılması
yaygınlaşarak devam etmektedir.
• Bu yöntemin temelleri yaklasık 70 yıl önce Bernhard Berghaus
tarafından atılmış ve günümüzde endüstri için vazgeçilmez bir
unsur olmuştur.
• Plazma destekli yayınım işlemlerinde amaç, karbon veya azot
gibi ara yer atomlarını parça yüzeyine göndermektir.
• Bu atomlar malzeme içerisinde bulunan alaşım elementleriyle
birleşerek aşınma ve korozyona dayanıklı bir yapı oluşturur.


Plazma Destekli Yüzey İşlemleri


Plazma ile termokimyasal yuzey islemlerinin
avantajları
• Plazma ile yapılan yüzey islemleri tamamen cevre ile
dosttur,
• İlk yatırım maliyetinin yüksek olmasına karsın, işlem maliyeti
çok düsüktür,
• İşlem süresi kısadır,
• Yüzey işlemi uygulanan malzemenin aşınma ve korozyon
direnci çok yüksektir,
• Yüzey sertleştirme işlemi istenmeyen yerleri maskeleme
kolaylığı vardır,
• Normal yüzey sertleştirme işlemlerine göre daha düşük
sıcaklıklarda işlem yapılabilmektedir,


Plazma ile Borlama
• Borlama ile cok sert, düşük sürtünme katsayısına sahip, yüksek
sıcaklık mukavemeti fazla olan ve korozyon dirençli malzeme
yüzeyleri elde edilmesi mümkün olmaktadır.
• Bir termokimyasal yüzey sertleştirme yöntemi olan borlamada,
bor atomları metal yüzeyine termokimyasal olarak yayınarak
sert bor tabakası oluştururlar.


Bazı Katılarda Uzunluğun Fonksiyonu
Olarak Yüzey alanı/Hacim Değişimi


Yuzey islemleri

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Destacado

Destacado (20)

Más de Prof.Dr. İbrahim USLU

Más de Prof.Dr. İbrahim USLU (12)

Yuzey islemleri