Saçtırma biriktirme

İnce film kaplamalarda, buhar kaynağı olarak, genellikle saçtırma yöntemi kullanılmaktadır. Diğer yöntemlere göre birçok avantaj sunan bu yöntemde, katı malzeme pozitif iyonlarla bombardıman edilerek, atomlar yüzeyden kopartılır. Kaplanacak olan malzeme, hızlandırılmış iyonlar gibi enerjik parçacıklarla bombardıman edilirse, saçılan atomlar substrat (alttaş) yüzeyinde film tabakası oluştururlar.
Saçtırma işlemlerinde, en çok kullanılan yöntem, DC saçtırma işlemidir. DC saçtırma işlemi şöyle çalışır. İki tane düzlem halinde elektrot vardır. Bu elektrotlardan birincisi soğuk katot, diğeri ise anottur. Katodun ön yüzeyi, kaplanacak hedef malzeme ile örtülmüştür. Substatlar (alttaşlar) ise anot üzerine yerleştirilir. Saçtırma çemberi, argon gazı ile doldurulmuştur. Işıldama deşarjı, elektrotlar arsında uygulanan dc gerilim ile oluşturulmuştur. Ar+ iyonları, substrat (alttaş) üzerinde ince bir film tabakası oluşturmak üzere hedef malzemeyi saçtırır. DC saçtırma sayesinde, metal kaynak yerine bir yalıtkan hedef olarak kullanıldığında, saçtırma deşarjı oluşmaz. Yalıtkan hedefle, ışınlama deşarjının devamı için RF voltaj kullanılır. Bu sisteme RF-diyot saçtırma adı verilir.
Reaktif saçtırma tekniğinde ise, saçtırma çemberine verilen reaktif gazlar (oksijen, nitrojen vb.), hedefle reaksiyona girerek saçtırır ve film oluşmasını sağlarlar. Böyle reaktif gazlar bazen vakum çemberini temizlenmesindede kullanılmaktadır. Reaktif saçtırma, pek yaygın olmasa da optik kaplamalarda ve tantalum nitrit kaplı dirençler yapımında kullanılmaktadır.
Magnetron saçtırma işleminde, manyetik bir alan, katotla üst üste bindirilir ve katot yüzeyine paralel bir ışıldama deşarjı oluşturur. Dairesel bir hareket gösteren ışıldama deşarjı içerisindeki elektronlar, manyetik alanla birlikte katotta plazma yoğunluğunu artırır. Plazma yoğunluğunun artması, akım yoğunluğunuda artırır. Düz magnetronun kullanımı, yarı iletkenlerin üretilebilmesi için bir zorunluluktur. 1936 yılında Penning tarafından bulunmuştur. Penning deşarjı adı verilen bu yöntemde, elektrik ve manyetik alanın kombinasyonu ile yüzey yakınında bir plazma oluşturulur.
Saçtırma işleminde diğer malzemeler ile reaksiyona girmeyecek gazlar kullanılmalıdır (Ör: Ar+). İyon kaynağı olarak iyon tabancası ya da plazma kullanılabilir. Elde edilen iyonlar yüksek hızlarda, kaplayıcı malzeme yüzeyine çarptırılarak, buhar oluşturulur. Çarptırılan iyonlar malzeme latisi içerisine girip kalabilir, enerjilerini bırakarak geri saçılabilir veya yüzeyden atom koparabilirler.
Diyot sıçratmada iki yüzey arasına bir potansiyel uygulanarak, elektron akışı elde edilerek sıçratma gerçekleştirilebilir. Ortama gaz verildiğinde ise yoğun atom çarpışmalarından dolayı, bir elektron çarptığı atomdan elektron koparabilirse atom iyon haline geçmektedir. Sıçratma işleminde, iyonun yüzeyden atom koparması için kütlelerin oldukça büyük olması gerekir. Bunun için, argonla yapılan sıçratma işlemi diğer inert gazlara (He) göre daha verimli olmaktadır. Sıçratma yönteminde, iyon oluşturmak için, negatif plazma, pozitif yüklü veya yüksüz parçacıklar, x ışınları veya bunların çarpışmaları sonucu oluşan iyonlar kullanılır.
Diyot sıçratma, sıçratma etkisinin düşük olması sebebiyle fazla tercih edilmemektedir. Konvansiyonel ve dengesiz manyetik alanda sıçratma sistemleri, manyetik alanla birlikte kullanılır. Bunun için mıknatıslardan yararlanılır. Gelişimi ile birlikte, iyonizasyonlu manyetik alan sistemler ve mikronüstü kaplama teknolojisinde büyük gelişmeler sağlanmıştır. Manyetik alan ve kendi kendine sıçratmalı manyetik alan sistemleri, 200W-3 ve üzerindeki çok büyük hedef güç yoğunluklarında çalışırlar. Ferromanyetik malzemelerin saçtırılmasının güç olması sebebiyle, geliştirilen hiçbir sistem, endüstriyel üretim için uygun olmamıştır.
Manyetik alanda saçtırma tekniğinde, plazma kullanılarak katottan ayrılan elektronlar, anot yüzeyine doğru ilerlerken ortamdaki gaz atomları ile çarpıştırılarak iyonizasyon sağlanır. Bu iyonizasyon, katot yüzeyine yakın yerlerde çarpışmalara sebep olur. Manyetik alanda saçtırma işlemleri önceleri çok başarılı olamasada, zaman içerisinde geliştirilmiş ve günümüzde en çok kullanılan sıçratma sistemi haline gelmiştir.
Manyetik alan yönteminde, hedef malzemesi su soğutmalı mıknatıs veya elektromıknatıslardan oluşmuş tutucunun üzerine yerleştirilmiştir. Hedefin merkez ekseni, mıknatısın bir kutbunu oluşturur. İkinci kutbu ise, hedefin kenarlarına yerleştirilen mıknatıslar tarafından halka şeklinde oluşturulur. Mıknatısların bu şekilde düzenlenmesi, elektrik ve manyetik alanların hedef üzerinde birbirine dik olmasını sağlar. Manyetik alanlar dairesel ve dikdörtgen şeklinde düzenlenebilir.
İki tip manyetik alan vardır. Birincisi, Konvansiyonel manyetik alanda sıçratmadır. Bu teknikte, hedef metalin önünden itibaren yaklaşık 60 mmlik çok yoğun bir plazma bölgesi vardır. Yoğun plazma bölgesi içine yerleştirilen altmetaller, film büyümesi sırasında yeterli miktarda iyon bombardımanına uğradıklarından filmin fiziksel ve kimyasal özelliklerini istenildiği gibi değiştirebilir. Film özelliğindeki değişimler, yüzeye çarpan iyon enerjisi, birikme hızı ve alt metalde ölçülen iyon alan yoğunluğu ile kolayca kontrol edilebilir. Bu yönetemde, eğer alt metal plazma bölgesi dışına itilirse, burada plazma yoğunluğu düşük olacağından, iyon bombardımanı oranı düşük olacaktır. İyon bombardımanı oranın az olması, filmin özelliklerini ve mikroyapısını olumsuz yönde etkiler. Bu nedenle konvansiyonel manyetik alanda saçtırma yönteminde, büyük ve karmaşık parçalar üzerine, kaliteli ve çok yoğun kaplamalar yapmak çok zordur. Ancak bu yöntemin bir avantajıda, altmetal fazla ısınmadığından, plastik gibi ısıya dayanıksız malzemeler üzerinde kaplama yapılabilmesidir.
Konvansiyonel manyetik alanda sıçratma yönteminde, film birikmesi sırasında iyon bombardımanını artırmak için altmetale negatif potansiyel uygulanır. Ancak iyon bombardımanını daha fazla artırmak amacıyla negatif potansiyelin fazla seçilmesi, hem tane içi hataların oluşumuna, hem de film içindeki gerilmeyi artıracağından, özellikle sert kaplamaların birikmesi sırasında istenmeyen etkiler ortaya çıkabilir. Altmetale iyi yapışmayan kötü kalitede kaplamalara neden olur. Kaplama kalitesini artırmak amacıyla yeni sıçratma sistemleri geliştirilmiştir.
Sıçratma sistemlerinde plazma iyonizasyonunu artırmak için iki yöntem geliştirilmiştir. Bunlar, ilave gaz iyonizasyonu ve plazma kapanmasıdır. İlave gaz iyonizasyonu, sıcak katot elektron emisyon kaynağı ile mümkün olmuştur. Plazma kapanması ise, dengesiz manyetik alanlar ile mümkün olmuştur.
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.
Manyetik alanın dengesini bu şekilde bozarak, plazmanın hedef ve altmetal arasında, manyetik alan yardımıyla kapanması sağlanır. Böyle bir konfigürasyon, saçtırma sırasında üretilen ikincil elektronlardan çoğunun, manyetik alan çizgileri boyunca hedef metalden alt metale doğru gitmesini sağlar. Pozitif iyonlarda elektrostatik çekimle elektronları takip edeceğinden altmetale yakınında iyonizasyon gelişir ve alt metal yüzeyindeki iyon bombardımanı artar.
Günümüzde en çok kullanılan tekniktir. PVD yöntemindeki gelişmeler, diğer kaplama yöntemleri ile yapılamayan veya istenen kalitede olmayan ince film kaplamalarının yapılabilmesini sağlamıştır. Dengesiz manyetik alanda sıçratma gibi teknikler, iletken, yalıtkan ve süper kafes kaplamalar yapılabilmesini sağlamıştır ve çok iyi sonuçlar elde edilmiştir.
Daha fazla bilgi için:
Fiziksel buhar biriktirme
İnce film kaplama teknikleri
Yarı iletken madde üretimi
İnce film