Günümüzde ve geçmişte birçok kez, kullandığımız önemli cihazları korumak için koruyucu kılıf kullanırdık ve hâlâ kullanıyoruz. Amacımız kullandığımız elektronik cihazın ömrünü artırmak, o yüzdendir ki 1990’ları düşündüğümüzde yeni alınan televizyonun kumandası şeffaf kılıfından çıkarılmazdı. O zamanlardan günümüze gelen koruma anlayışı sadece makro seviyede elektronik cihazlar için geçerli değildir. Televizyonun içindeki gördüğümüz küçük çipler yani entegre devreler de üzerlerindeki siyah plastik kılıfları sayesinde çevresel etmenlere karşı korunabilmektedir. Ancak bu koruyucu kılıflar koruyucu olduğu kadar kullanıcının o elektronik cihazı kullanmasını da engellemeyecek düzeyde ince olmalıdır. O hâlde mikro dünyada da buna benzer koruyucu kılıflar vardır. Tam olarak bizim bildiğimiz kılıf biçiminde olmasa da koruyucu bir katman, o entegre çipin, elektronik devrenin içindeki yapıları korur. Bu koruma teknolojisinin adı “ince film” teknolojisidir.
Elektronik bir devre içerisinde, milyonlarca transistör bulunmaktadır. Bu transistörlerin verimli çalışması için bazı şartlar gereklidir. Bu şartlar basit olarak, transistorün çalışma sıcaklığı, ortamın toz oranı, nem oranı vs. şeklinde sıralanabilir. Bütün bu değerleri dengede tutmak için yalıtılmış bir sistem olması gerekir. Burada ince film teknolojisi devreye girmektedir. İnce film teknolojisi sadece elektronik dünya ile sınırlı değildir. Dekoratif kaplamalar, optik sistemler, kayıt cihazları içinde ince filmler kullanılmaktadır. Tekrar elektronik devrelere dönecek olursak, yarıiletken devre teknolojisinde özelikle bazı dielektrik ince filmler, yalıtkan olarak kullanılmaktadır. Transistör yapısı için çok önemli bir yer tutar bu dielektrik ince filmler.
İnce filmlerin elektriksel özellikleri kullanılacağı bölüme göre önem taşımaktadır. Örneğin; kaplama ve koruma işlemlerinde mekaniksel olarak güçlü bir yapısı olması gerekir. Bunun içinde mekanik olarak güçlü bir yapı elde etmek için kimyasal işlemler gerçekleştirilir. Nasıl bu kimyasal işlemler gerçekleştirilir ve ince film teknolojisi kullanılabilir?
İnce film, “CVD” dediğimiz “Chemical Vapor Depsition” yani “Kimyasal Buhar Biriktirme” yöntemi ile elde edilebilir. Bu yöntem bize çok kaliteli ince film sunmaktadır. CVD yöntemini kalın yapılardan ziyade ince film teknolojisi için kullanılmaktadır. İnce film kalınlığı nanometre (nm) boyutunda olup yaklaşık olarak üretilecek olan ince filme ve üretilme koşullarına bağlı olarak 1 ile 100 nm arasındadır. O halde CVD yöntemini ve çeşitli ince filmlerden bahsedelim.
CVD yöntemi, aslında bir alttaş üzerinde tabaka oluşturma yöntemidir. Bir kapalı alan içerisine kimyasal gazların salınmasıyla ortamda meydana gelen kimyasal reaksiyon sonucu, alttaş üzerinde ince film oluşturma yöntemidir. Kimyasal gazlar ortama girer ve yüzeyde bir gaz bulutu oluşur, bu gaz bulutu içinde kimyasal reaksiyonlar sonucu yüzey üzerinde, öbek öbek kümelenmeler oluşur ve bunlar birleşerek sürekli oluşan bir ince film haline gelir.
CVD yöntemi oluşturulacak ince filme göre yöntemlere ayrılır:
- APCVD ( Atmosferik Basınçta Kimyasal Buhar Biriktirme)
- LPCVD ( Düşük Basınçta Kimyasal Buhar Biriktirme)
- PECVD ( Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme)
APCVD Atmosferik Basınçta Kimyasal Buhar Biriktirme
Bu CVD yöntemi atmosfer basıncı altında gerçekleşen bir yöntemdir. İşlem gazları yüzey üzerinde bir gaz bulutu oluşturup yüzey üzerinde birikerek ince film oluşturur ve ortamda kullanılmayan atık gazlar vakum ile dışarıya atılır. Bu işlem bir SiO2 ince film için 400°C sıcaklıkta gerçekleşir. Si tek kristal oluşturmak istenirse bu sıcaklık yaklaşık 950°C’ye çıkmaktadır.
APCVD reaktörü
Bu tip bir CVD yönteminde reaktör içinde çok sayıda alttaş için ince film kaplama yapılamayabilir ve bu durum zaman kaybına sebep olabilir. APCVD yöntemi ile elde edilen ince filmler transistör yapısı içinde metal yüzeyler öncesinde, metalin oturacağı bölgeye yerleştirmede kullanılır.
LPCVD Düşük Basınçta Kimyasal Buhar Biriktirme
Bu yöntem isminden de anlaşılacağı gibi çok düşük basınçta gerçekleşen bir yöntemdir. İşlemin gerçekleşmesi 0.1 ile 2 torr basınç aralığındadır. Bu basınç değeri yaklaşık 0.0013 bar’a karşılık gelmektedir. Laboratuvar ortamında kullanılan bir Helyum tüpü için yaklaşık 110-120 bar basınç olduğu düşünüldüğünde çok düşük bir basınç olduğu anlaşılabilir. LPCVD yönteminde yine alttaş üzerinde kimyasal reaksiyon sonucu ince film yüzeyi oluşmaktadır.
LPCVD reaktörü
LPCVD yönteminin avantajı alttaşların reaktörde yatay olarak dizilmiş olması ve bir işlemle yaklaşık 200 tane alttaş kaplaması yapılabiliyor olmasıdır. Alttaşın alt kısmında ve üst kısmında ısıtıcıların olması ortamın homojen bir ısı sağlamasına ve yüzey üzerinde biriken ince filmin kalitesinin yüksek olmasına yol açar.
PECVD Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme
Diğer CVD yöntemlerinde basınç ve sıcaklık önemli iken bu yöntemde bunlara ilave olarak plazma yoğunluğu da önemlidir. Plazma iyonize olmuş gaz demektir. İyonize olmak atomun elektron kaybederek iyon haline gelmesi demektir. Plazmanın yoğunluğu PECVD yöntemi için önemlidir. Plazmayı daha iyi anlamak için Güneş’in yapısına bakmamız yeterli olacaktır. Güneş ise plazma hâlindedir.
Reaktörde bir elektrik alan oluşturarak ortamdaki gazlar plazma haline getirilmiştir ve yüzey üzerinde oluşan gaz bulutu sonucu yine alttaş üzerinde ince film oluşacaktır. Oluşturulan elektrik alan sayesinde gaz bulutu içerisindeki iyonlar yüzeyin istenilen bir bölümüne doğru hızlandırılacak ve iyonların daha iyi yüzeye tutunması sağlanacaktır. Dolayısı ile yüzey daha güzel kaplanacak, daha kaliteli filmler oluşturulacaktır.
İnce film teknolojisi sadece elektronik endüstri için kullanılmıyor. Kaplama olarak günlük hayatta kullandığımız kapı kolları, matkap uçları, musluklar oksitlenmeye karşı sert kaplama yapılarak ticari olarak sanayide üretilmektedir. Fakat CVD daha çok elektronik devreler için kullanılmakta ve bu devrelerin koruyucu plastik kılıflarının hemen altında kullanılır özellikle silikon nitrat kaplaması transistör için en son koruma katmanıdır. Mekanik etkiler, su, toz gibi çevresel etkilere karşı dayanıklıdır. CVD yöntemi ile elde edilen SiO2 ince film özellikle transistörlerin sızıntı diye bildiğimiz geçit bölgesinden sızan akımı engellemek için, tam geçit bölgesinin altına yerleştirilen dielektrik katsayısı yüksek yalıtkan bir yapıdır.
Böylelikle bu yazımızda, kimyasal buhar biriktirme yöntemleri ile ince film teknolojisinin nasıl geliştirildiğini ve bu teknolojinin kullanım alanlarına değindik.
Polat Narin / KuarkMNB
Gazi Üni. Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kaynaklar:
- Hong Xiao “Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology”, Prentice Hall, Upple Saddle River, 2001
- www.dowcorning.com/content/etronics/etronicschem/etronics_newcvd_tutorial3.asp?DCWS=Electronics&DCWSS=Chemical%20Vapor%20Deposition
- http://www.ece.umd.edu/class/enee416/GroupActivities/LPCVD-PECVD.pdf
