Elektron demetiyle fiziksel buhar biriktirme

Elektron demeti (İngilizce: Electron Beam Physical Vapor Deposition veya EBPVD) ile fiziksel buhar biriktirme işlemi, anottaki hedef malzemenin, çok yüksek vakum altında, tungsten bir flaman ile elektron bombardımanına tutulması ile gerçekleştirilir. Elektron demeti, hedefteki atomların yüzeyden koparak gaz fazına geçmesini sağlar. Buharlaştırılan bu atomlar, vakum çemberi içindeki her noktaya yapışarak ince bir film oluşmasını sağlarlar.

İnce film kaplamalar, yarı iletken endüstrisinde, elektronik materyaller yapımında, uçak endüstrisinde, yüzeyi korozif etkilerden korumak ve yüzey özelliklerini değiştirmek amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Katmanlama işlemi PVD ve CVD olarak ikiye ayrılabilir. CVD katmanlama işleminde çok yüksek sıcaklıklara ulaşılırken, kaplanan malzemenin özellikleri değişebilmektedir. CVD’nin başka bir dezavantajıda, film içerisinde yabancı partiküller oluşabilmekte ve kaplanan filminde özellikleri bozulabilmektedir. Ancak PVD işleminde, CVD kadar yüksek katmanlanma oranı yakalanamamaktadır. PVD işlemi ayrıca, katmanlanan film üzerinde stres oluşmasına sebep olmaktadır. Elektron demeti PVD işlemi ise yine de yüksek sayılabilecek bir katmanlama yüzdesine sahiptir. Film kalınlığı 0,1 µm ile 100 µm arasında değişebilmektedir.

EBPVD sisteminde, vakum çemberinde basınç 10-4 Torr’a kadar düşürülür. Buharlaştırılacak malzeme ingotlar halinde yerleştirilir. Genellikle 6 elektron tabancası, 100'lerde KW enerji ile çalıştırılırlar. Elektron demetleri, termiyonik emisyon, alan emisyonu veya anodik ark metotları ile üretilebilir. 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. İngot, bakırdan yapılmış bir pota içerisinde sıvılaştırılmaktadır ve bakır pota su ile soğutulmaktadır.

Titanyum karbit gibi refrakter karbitler ve titanyum borit ve zirkonyum borit gibi boritler, buharlaştırıldıklarında bileşimler değişmez. Böyle malzemeler direkt buharlaştırılabilirler. Bu işlemde, ingot üzerine gönderilen çok yüksek enerjili elektron demeti ile vakumlu ortamda buharlaştırma yapılmaktadır. Bazı refrakter oksitlerin ve karbitlerin, elektron demeti ile buharlaştırıldıktan sonra AlO3 ve AlO2 olarak ikiye ayrışırlar. Silikon karbit ve tungsten karbit gibi bazı refrakter karbitlerinde, sıcaklık ile bileşimlerinde değişim meydana gelir. Böyle malzemeleri katmanlamak için, reaktif buharlaştırma veya co-buharlaştırma yöntemleri kullanılabilir. Reaktif buharlaştırma işleminde, metal, ingottan elektron demeti ile buharlaştırılır. Oluşan buhar, reaktif gaz ile taşınır. Bu işlemde genellikle reaktif gaz olarak oksijen kullanılır. Sıcaklık uygun değere ulaşınca, buhar, gaz ile reaksiyon oluşturarak, substrat üzerinde film oluşturulur.

Metal karbit filmler ise co-buharlaşma (evaporation) yöntemi ile katmanlanabilir. Bu yöntemde, 2 ingot kullanılır ve biri metal, diğeri karbon içindir. Her bir ingot ayrı elektron demetleri ile ısıtılır. İngotlardaki buharlaşma yüzdesi kontrol edilebilmektedir. Buhar, substrat yüzeyine ulaştığında, termodinamik koşulların oluşması ile, kimyasal kombinasyon oluşturarak, substrat üzerinde metal karbit film elde edilir.

Substrat ultrasonik olarak temizlenir ve substrat tutucuya yerleştirilir. Substart tutucu, ingot kaynağı ile mesafeyi ayarlar. Tutucu, aynı zamanda substratı sürekli olarak döndürerek, yüzey üzerinde düzenli bir film oluşumu sağlar.