Yuzey islemleri

Prof.Dr. İbrahim USLU

Yüzey Analizi DersiYüzey Analizi Dersi

Yüzey İşlemleriYüzey İşlemleriProf.Dr. İbrahim USLU


Yüzey Kaplama – İnce FilmYüzey Kaplama – İnce Film


Gaz Fazdan – CVDGaz Fazdan – CVD


Kimyasal buhar biriktirme (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 Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi (Chemical Vapor Deposition): (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 YöntemiCVD 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 çalışmasıDr. İbrahim USLU’nun tez çalışması


Nükleer yakıt ve Quartz camların kaplanmasıNükleer yakıt ve Quartz camların kaplanması


Tüp Fırın ve Gaz GirişleriTüp Fırın ve Gaz Girişleri


CVD Tüp FırınCVD Tüp Fırın




Alçak Basınç Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi Alçak Basınç Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)(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 Plazma geliştirmeli Kimyasal Buhar Biriktirme Yöntemi (Plasma Enhanced Chemical Vapor Yöntemi (Plasma Enhanced Chemical Vapor

Deposition)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 biriktirmeFiziksel 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.


BuharlaştırmaBuharlaştırma

• 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 PVD ve PECVD prosesleri ayni cihazda olabilmektedir.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)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 alanlarıFBB 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 alanlarıFBB 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 biriktirmeFiziksel 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 - CVDPVD - 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 PVD uygulamalarında en geniş olarak kullanılan kaplama TiN katmanlardırkullanılan 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 kaplamaTiN 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.



• 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.



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


Fiziksel buhar biriktirme (FBB ya da Fiziksel buhar biriktirme (FBB ya da PVD)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



• 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 Termal buharlaşma Biriktirme Tekniğinin avantajlarıavantajları

• 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 Termal buharlaşma tekniğinin dezavantajlarıdezavantajları

• 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 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 Termal buharlaştırma işleminde kullanılan buharlaştırma kaynaklarıkullanılan buharlaştırma kaynakları


Rezistansla BuharlaştırmaRezistansla 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) BuharlaştırmaElektron 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 (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)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 BuharlaştırmaElektron 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 BuharlaştırmaElektron 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 Buharlaştırmaİndüksiyonla 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 BuharlastırmaKatodik Ark Buharlastırma

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


Katodik ark buharlastırma prosesinin Katodik ark buharlastırma prosesinin avantajlarıavantajları

• 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 Katodik ark buharlaştırma prosesinin dezavantajlarıdezavantajları

• 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 (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 gerçekleşirPLD 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 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 PLD kaplamade en düzgün kaplama elde edilirelde 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 İyon Demeti Biriktirme Yöntemi (Ion Beam Assisted Deposition):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 Demeti Biriktirme Yöntemi


İyon Demetiyle Biriktirme Yöntemiİyon 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 tekniğiSıçratma 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 avantajlarıSıçratma 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 GazıSıçratma 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 ayrılırSıçratma 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 yöntemiDengesiz 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 kaplamaAtomik katman kaplama

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


Atomik katman kaplamaAtomik katman kaplama (atomic layer deposition – ALD) tekniği (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 Yüksek Vakumda Biriktirme Yöntemi (High Vacuum Deposition Process):(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 RF Manyetik Alanda Sıçratma İnce Film Kaplama Sistemi 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)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)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 Laminer Kaplama Yöntemi (Laminar Coating)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 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 TekniğiDöndürme 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 TekniğiDöndürme Kaplama Tekniği

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


Püskürtme Kaplama Tekniği (Spray Coating)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 TekniğiPüskürtme 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)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 KaplamaSlot die Kaplama


Gravüre KaplamaGravüre Kaplama


SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) yöntemi ile ince film BüyütmeReaction) 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 YöntemiSILAR 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 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.



• 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 işlemleriYüzey 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 işlemleriYüzey sertliğini artırma işlemleri


MikroyapısalMikroyapısal

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


Kimyasal difüzyonda (yayınım)Kimyasal difüzyonda (yayınım)

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


KarbürlemeKarbürleme

• 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 Karbürleme metotları

• gaz ile karbürleme,

• vakumla karbürleme,

• plazma (iyon) karbürleme,• tuz banyosunda karbürleme,• kutu (pack) karbürleme,• akışkan yatakta karbürleme.


Nitrürasyon (Nitrürleme)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.


KarbonitrürlemeKarbonitrürleme

• 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.


BorlamaBorlama

• 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.


KromlamaKromlama

• 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.


PlazmaPlazma

• 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 İşlemleriPlazma 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 Destekli Yüzey İşlemleri


Plazma ile termokimyasal yuzey islemlerinin Plazma ile termokimyasal yuzey islemlerinin avantajlarıavantajları

• 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 BorlamaPlazma 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 Bazı Katılarda Uzunluğun Fonksiyonu Olarak Yüzey alanı/Hacim DeğişimiOlarak Yüzey alanı/Hacim Değişimi

Technology

Yuzey islemleri