İnce film nedir?blog.aku.edu.tr/evcin/files/2019/03/thin-film.pdf · 26.02.2016 5 Manyetik ince filmler laboratuarı Manyetik İnce filmler Çok yüksek yansıtıcı (reflective)

26.02.2016

1

İnce Film Teknolojisi

Doç. Dr. Atilla EVCİN

İnce film nedir?

• Kalınlığı birkaç mikrometreden, birkaç Ǻ’a kadar olan tabakalara ince film denir.

• İnce filmlerin optiksel özellikleri dalga kılavuzlama yöntemi başta olmak üzere değişik yöntemlerle tespit edilebilmektedir.

İnce film ve siz Temiz oda

• İnce film kaplama laboratuarı temiz odalarda gerçekleşir.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi © 2016

http://www.novapdf.com


26.02.2016

2

İnce film çeşitleri

• Kullanılan malzemelerin cinsine bağlı olarak ince film çeşitleri; – şeffaf iletken, – süper iletken, – amorf yarıiletken alaşımlı, – inorganik polimerik, – organik, – Payro (ısı) elektrik, – ferroelektrik

• ince filmler şeklinde sıralanabilir.

Yansıma Önleyici İnce film katmanları

• Mercek yüzeylerini lazer korumalı hale getirmek için 15 farklı malzemeden, çok katlı optik kaplama

İnce film kaplamasına bir örnekCep telefonum suya düştü

• Elektronik aletlerin bozulmalarında başlıca sebeplerden biri de hiç şüphesiz sıvı temasıdır.

• Bu kazaların garanti kapsamı dışında sayılması, sonuçların bize pahalıya patlamasına sebep olabilir.

İnce film kaplamasına bir örnek

• Görünmez ve çok ince olan bu kaplama sayesinde sıvı, kaplamalı yüzeye temas ettiğinde damlacıklar halinde ve ürüne işlemeden akıp gidiyor.

• İnce film teknolojisi bir kağıt mendile veya bir akıllı telefona aynı verimle uygulanabiliyor.

• Böylece elektronik aletlerimiz bu teknolojiye sahip ise sıvı teması bir sorun olmaktan çıkıyor.




26.02.2016

3

İnce film ve yığın malzeme• Yığın malzemeden kasıt külçe, silindir, plaka gibi

şekillerde endüstriyel metotlar kullanılarak üretilen malzemedir.

• Resimde bu şekilde üretilmiş bakır külçeler görülmektedir.

• İnce film malzemenin kalınlık boyutu küçüktür (genelde 10 μm den daha incedir).

• Fakat sadece küçük bir kalınlığa sahip olma ince film olmak için yeterli değildir.

İnce film özellikleri• Bir ince film kaplamanın özellikleri kaplama metoduna ve o

kaplama metodu sırasında kullanılan ortam değişkenlerine bağlı olarak değişebilir.

• Aynı şartları sağlayan ve aynı yöntemi kullanan iki farklı cihazda bile özellikler değişebilir.

• Alt ve üst katmanda bulunan malzemelere bağlı olarak özellik değişimi olabilir.

• Bu sebeple kullanılan her ince film her kaplama metoduna ve şarta göre incelenerek özellikleri net olarak anlaşılmalıdır.

• Buna proses karakterizasyonu denir ve her ticari üretim prosesinde verimi ve kararlılığı artırmak için yapılması gerekir.

İnce film özellikleri Sadece küçük bir kalınlığa sahip olma ince film olmak için yeterli değildir

• Örneğin çekilerek inceltilip folyo haline getirilmiş bir bakır film ince film olarak kabul edilmez.

• İnce film bir bakır bir yüzeyin üzerine sıfırdan başlayarak film kalınlığına ulaşana dek herhangi bir ince film kaplama yöntemiyle büyütülür.

• Folyo bakır tümden gelim şeklinde yukarıdan aşağı olurken ince film bakır tüme varım şeklinde aşağıdan yukarı doğru olur.

• Bu durum da folyo bakırın özellikleri yığın bakır ile aşağı yukarı aynı iken aynı kalınlıktaki ince film bakırın özellikleri farklıdır.




26.02.2016

4

Niçin İnce Film Yapılıyor ?

• Günümüzde ince filmler, yarı iletken aletlerin yapımında, manyetik kayıt ve algılama sistemlerinde, optik kaplamalarda ve dekoratif işlerde yaygınlıkla kullanılmaktadır.

• Kaplama yöntemlerindeki farklılıklar ve kaplama sırasındaki çeşitli işlemler sonucu, hacimli malzemede bulunmayan birçok özellik bu malzemelerin ince filmlerinde yaratılabilir

Bilkent Üniversitesinde ince film çalışmaları (Dr. Erman Bengü)

İnce filmler• Yalıtkan, iletken,

polimer, manyetik malzemeler gibi birçok malzeme ince film olarak kaplanabilir.

• İnce filmler entegre devrelerde iletim hatları, kontak noktaları, yalıtkan katmanlar, proses maskeleri gibi birçok işlevi yerine getirirler.




26.02.2016

5

Manyetik ince filmler laboratuarı Manyetik İnce filmler

Çok yüksek yansıtıcı (reflective) aynalar

• Aynı zamanda MEMS ve diğer mikro sistemlerde aynalar, basınç algılayıcılar, ivmeölçerler, zarlar, kanallar, dişliler, uyarıcılar, algılayıcı katmanlar gibi birçok yapının üretilmesi de ince filmler ile olur.

Güneş ışığını toplayıcı ince film kaplamalı aynalar




26.02.2016

6

• Marsın yörüngesine yerleştirilmek üzere hazırlanmış, oldukça iyi parlatılmış, berilyumdan yapılmış aynaya 0.5 mikron lazer altın kaplaması (1m çapında ve 20kgağırlığında) Epner Technology

Fotovolatik ince film kaplamalar

Yarıiletken ince film uygulamalar

• İnce filmler mikrofabrikosyon ile aklınıza gelen hemen hemen her fikri üretebilmenizi sağlayanesnek teknolojilerdir.

Sürtünmesiz yüzeyleri Nano Polimer ile kaplayarak yüzeyin devamlı yağlı ve sürtünmesiz kalmasını

sağlamak




26.02.2016

7

Ni-Ti Shape Memory Alloys (SMA) alloys Ni-Ti hafızalı kaplama

Fotovoltaik Güneş sistemleri Uygulamaları

• İnce film güneş gözeleri ticari olarak 1980’li yıllarda ortaya cıkmış, bugün artık kristal tabanlı güneş gözeleriyle yarışır duruma gelmiştir.

• İnce film güneş gözeleri, verim açısından kristal tabanlı silisyum gözeleri yakalayamamış olsa da çok daha ucuza uretilebilen bir teknolojidir.

• Bu teknoloji ile üretilen gözelerde 100 kat daha az malzeme kullanarak uretmek mümkündür.

• Cam üstüne ya da çelik, plastik gibi esnek yüzeylerin üzerine uygulanabilir.

• Büyük güneş enerjisi tarlaları yapılabileceği gibi, bina dış cephelerinde ve çatı kaplamalarında, kumaş üzerinde de kullanılabilirler.

• Üretimleri tümüyle entegredir, bu nedenle yerli olarak üretilebilirler.

Fotovoltatik ince film kaplamalar




26.02.2016

8

Güneş enerjisi ve ince film Fotovoltaik gözeler

Güneş ışığını odaklama ile çok yüksek sıcaklıklara çıkar

Fotovoltaik (FV) nedir?

• Güneş hücresi üzerine düşen güneş ışık demeti elektronlar tarafından emilir.

• Bu elektronlar kazandıkları enerji ile positif tarafa doğru hareket eder ve elektrik akımı oluşturur.

• Böylece baska birgüç harcamadan enerji elde edilir




26.02.2016

9

İnce film güneş gözelerinde üç farklı teknoloji kullanılıyor

• Bu teknolojileri– a-Si (amorf silisyum), – CuInGa-Se (bakır indiyum galyum selenyum) ve – CdTe (kadmiyum tellür)

• malzemelerine dayanır. • Bu üç teknoloji hem kristal Si güneş gözeleri ile hem de birbirleri ile

yarışmaktadır.

İnce Film Güneş Gözeleri İnce Film Güneş Gözeleri




26.02.2016

10

İnce Film Güneş Gözeleri İnce Film Güneş Gözesi Üretim Sistemi

Yaş yöntemle ince film üretilmesi Uygulama alanları

• Tribolojik Kaplamalar: Hareketli iki yüzey birbiri ile temas halinde ise mutlaka bir sürtünme ve bunun sonucunda bir aşınma söz konusudur.

• Metal kesme ve işlemede kullanılan kesici uçlar, metal şekillendirmede kullanılan kalıplar ve dişli vb. makine parçalarının yüzeylerinin aşınmaya dirençli TiN, TiCN, B4C, elmas benzeri karbon-DLC, vb. malzemeler ile kaplanması yaygın kullanılan bir çözümdür.




26.02.2016

11

Optik Kaplamalar• Optik malzeme yüzeylerinin, yansıtma,

kırınım indisi, emilim gibi optik özelliklerini değiştiren SiO2, TiO2 vb. malzemeler ile kaplanması

Mikro-elektronik Uygulamalar

• İnce filmler mikroelektronik uygulamalarda, elektriksel olarak yalıtkan tabakalar, MOS tranzistörlerde çok ince dielektrikler gibi çeşitli kullanım alanlarına sahiptir.

• LiNbO3, PLZT vb. piezo ve ferroelektrik bileşikler ince film olarak yarıiletken silisyum teknolojisi ile entegre formda elektrooptik, hafıza, algılayıcı uygulamalarında kullanılmaktadır.

İnce filmli malzemelerde olup hacimli malzemelerde olmayan şu özellikler vardır

• Klasik laboratuar şartlarında elde edilemeyecek ölçüde temizdir,

• Klasik laboratuar şartlarında elde edilemeyecek seviyede küçük geometrilerin üç boyutta oluşması mümkündür,

• Atomik büyüme işleminden kaynaklanan filme özgü malzeme özellikleri görülebilir,

• Kalınlık, kristal yönlenmesi ve çok katlı yapılardan kaynaklan kuantum boyut etkileri ve diğer boyut etkilerini görmek mümkündür.

İnce film aygıtının avantajları

• Bir ince film aygıtının en önemli avantajı ince filmin tüm elemanları yüzeye yayıldığından, ölçüm açısından yüzeyin rahatlıkla incelenebilmesidir.

• İnce film optik aygıtlar çok küçük yapılabilirler ve tek bir taşıyıcı üzerine yerleştirilerek bir diğerinin yanında yer alabilirler.

• İnce filmlerden oluşturulan optik sistemler doğal olarak daha az yer kaplarlar.




26.02.2016

12

İnce filmin avantajları

• Film optik dalga boyu ile kıyaslanabilir bir kalınlığa sahiptir.

• Bu nedenle ışık enerjisinin çoğu film içinde hapsolur ve film içindeki ışık şiddeti bir lazer gücü seviyesinden çok daha büyük olabilir.

• Bu güç yoğunluğu lineer olmayan etkileşimler için önemlidir.

Optik kaplamalar

• Optik kaplama amacıyla yapılan ince filmlerin aşağıdaki uygulamalarda kullanım alanları bulunmaktadır: – Yüksek yansıtıcı filmler, – yansıtmayan filmler, – Koruyucu filmler, – saydam iletken filmler, – lazer aynaları, – girişim filtreleri, – kutuplayıcılar, – Demet bölücüler ve – optik disk bellekler.

İnce filmler ve elektronik aletler• İnce filmler, elektronik ve optoelektronik endüstrisinin

ana unsurlarındandır. • Bu alanlarda kullanılan diyotlar ve diğer birçok

cihazlar iletkenlerin ya da elektroluminesans özelliği gösteren maddelerin ince tabakalarından oluşturulmuştur.

• Bilgisayarlardan cep telefonlarına kadar günlük hayatımızda sıkça kullandığımız cihazların yapımında ince filmler önemli bir yere sahiptirler.

• İnce filmler, medikal, askeri ve daha birçok amaç için kullanılan sensörlerin de temelidir.

İnce filmlerin askeri amaçla kullanımıSensörler




26.02.2016

13

Hidrojen sensörlerDesign and fabrication of micro hydrogen gas sensors

using palladium thin film

• Materials Chemistry and Physics• Volume 133, Issues 2–3, 16 April 2012, Pages 987–991

Keni kendine yağlayıcı Yüzeyler Askeri tüfekleri

Elektronikteki kaplamalar ve koruyucu dekoratif kaplamalar

• İnce film kaplamaların elektronik uygulama amaçlı kullanım yerleri bulunmaktadır. Bunların bazıları şöyle listelenebilir:– RC şebekeleri ve mikrodalga devreleri için kaplamalar,– yarı iletken uygulamaları için tek ve çok katmanlı

metalizasyon, – Entegre devre metalizasyonu,– melez devre üretimi,– Optik ve elektronik uygulama amaçlı kaplama dışında ince

filmlerin dekoratif, kuyumculuk ve sert yüzey elde etme gibi• kullanım alanları da bulunmaktadır.




26.02.2016

14

İnce Film Kaplama Teknikleri

• Farklı teknolojik alanlarda kullanılan ince filmler için birçok elde ediliş yöntemleri bulunmaktadır.

• Kaplama yöntemleri kaplama malzemesinin ve altlığın bulunduğu fiziksel durum göz önüne alındığında; – katı halden yapılan kaplamalar,– çözeltiden yapılan kaplamalar, – sıvı ya da yarı sıvı halden yapılan kaplamalar, – buhar fazından yapılan kaplamalar olarak dört ana

grupta irdelenebilir.

İnce film kaplama tekniklerine Örnek

Optik yüzeyleri polimer 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.




26.02.2016

15

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 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.




26.02.2016

16

İnce filmlerin kalınlığını hesaplama İnce film ölçme sistemi

• Semiconsoft.com• 200nm to 5000nm ye kadar ölçüm

yapabilir.

Elipsometre• Elipsometre film kalınlığı

tayininde ve malzemelerin optik sabitlerinin belirlenmesinde kullanılabilmektedir.

• Ayrıca elipsometre malzemelerin bileşiminin, kristalleşme seviyesinin, pürüzlüğünün ve katkılama oranının belirlenmesinde de kullanılabilir.

Epitaxial thin-film growth




26.02.2016

17

MBE İnce filmlerin Epitaksiyel büyümesi

Nucleation and island growth Polycrystalline Thin-film Growth




Documents

İnce film nedir?blog.aku.edu.tr/evcin/files/2019/03/thin-film.pdf · 26.02.2016 5 Manyetik ince filmler laboratuarı Manyetik İnce filmler Çok yüksek yansıtıcı (reflective)